EP2396797A1 - Kondensator und verfahren zur herstellung eines solchen - Google Patents

Kondensator und verfahren zur herstellung eines solchen

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EP2396797A1
EP2396797A1 EP10703818A EP10703818A EP2396797A1 EP 2396797 A1 EP2396797 A1 EP 2396797A1 EP 10703818 A EP10703818 A EP 10703818A EP 10703818 A EP10703818 A EP 10703818A EP 2396797 A1 EP2396797 A1 EP 2396797A1
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EP
European Patent Office
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glass
layer
glass ribbon
ribbon
capacitor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10703818A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Letz
Hans-Heinrich Gundelach
Holger Wegener
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T156/1031—Methods of surface bonding and/or assembly therefor with permanent bending or reshaping or surface deformation of self sustaining lamina by bending, drawing or stretch forming sheet to assume shape of configured lamina while in contact therewith with preshaping of lamina

Definitions

  • the invention relates to a capacitor with a glass dielectric and a method for producing such.
  • Polypropylene film capacitors are typically used as high performance capacitors in the prior art. They can be rolled, and the dielectric, polypropylene, can be made in the form of very thin foil. However, the dielectric breakdown voltage of about 1 MV / cm limits the density with which energy can be stored.
  • Electrolytic capacitors can also be brought to very high storage densities. Jeol in Japan has announced a double-layer electrolytic capacitor with storage densities of the order of 20 Wh / 1 QP 11288852 A2).
  • ceramic capacitors which use ceramics as a dielectric, such as e.g. Capacitors with ferroelectric phases.
  • the residual porosity of ceramics limits their dielectric breakdown field strength.
  • Batteries such as lithium-ion batteries currently provide the highest storage density up to 800 Wh / 1. Batteries, however, have a limited life and have charging times of up to several hours compared to capacitors.
  • Glasses are also known as dielectrics for capacitors in the prior art. Glass capacitors were already described in the 1940s. They are widely used for satellite and spacecraft electronic applications and can operate in very aggressive environmental conditions. It is also known that the dielectric breakdown strength of glasses is generally greater than that of the corresponding crystal systems. In A. Hippel, RJ. Bricklayer, phys. Rev., 59, 820 (1941) described this phenomenon by comparing the breakdown field strength of quartz glass with quartz crystal. The authors indicate a breakdown field strength of the order of 7 MV / cm for quartz glass.
  • the object of the invention is thus to provide an improved capacitor with glass as a dielectric, and a method for producing such.
  • the object of the invention is achieved by a capacitor having at least two metal layers which are separated by a dielectric in the form of a glass layer having a fire-polished surface, wherein the glass layer has an alkali oxide content of at most 2% by weight and a thickness of at most 50 ⁇ m, preferably at most 40 ⁇ m, particularly preferably at most 30 ⁇ m.
  • the object of the invention is further achieved by a method for producing a capacitor with the following steps:
  • the fire-resistant surface significantly improves the dielectric strength.
  • the use of low-alkali thin fire-polished glass layers discloses a surprisingly simple and cost-effective way of producing capacitors with a high energy storage density.
  • the glass layer has a thickness of at least 5 ⁇ m, in particular of at least 10 ⁇ m, in particular of at least 15 ⁇ m.
  • the capacitor has a layer composite which comprises at least one first glass layer on which a first metal layer is provided, on which at least one second glass layer and at least one second metal layer is provided, wherein the layer composite is wound up and the two metal layers are each electrically connected to terminals.
  • each glass layer consists of a glass with an alkali oxide content of at most 1 wt .-%, preferably of at most 0.5 wt .-%, more preferably of at most 0.1 wt .-%, particularly preferably of at most 0.05% by weight.
  • the dielectric strength can be further increased according to the invention.
  • each glass layer has a quality ( ⁇ ) of at least 20 ⁇ 10 12 V / mm 3 , preferably of at least 50 ⁇ 10 12 V / mm 3 , the quality being shaped as a quotient of the breakdown field - starch and the product of the thickness and roughness of the surface of the glass layer.
  • each glass layer consists of a glass having an electrical conductivity of at most 10 15 S / cm.
  • the glasses used have a dielectric loss angle (tan ⁇ ) of at most 0.001 at 1 kHz.
  • Particularly suitable glasses for the production of the dielectric have the following components (in% by weight based on oxide):
  • glasses containing the following components are preferred:
  • Alkaline earth oxides 1-30 Alkaline earth oxides 1-30
  • the maximum average surface roughness (RMS) is preferably 1 nanometer, preferably at most 0.8 nanometers, particularly preferably at most 0.5 nanometers.
  • the maximum average surface roughness is about 0.4 nanometers for a fire polished glass layer.
  • a first and a second glass band are pulled out and the first glass band with the first metal layer together with the second glass band and a second metal layer are joined together and wound up.
  • an adhesive layer eg epoxy adhesive
  • the adhesive layer could already be present on the wound metal layer (metal foil) as a coating.
  • a paper foil or the like would have to be wrapped as a release layer, which is then unwound before the connection with the glass layer.
  • each glass ribbon can first be pulled out of the melt and wound up with paper to form a roll. Then, at a later time of the process, the metal layer can be applied or the glass ribbon can be wound together after unwinding the paper layer with a metal foil.
  • Metals are all conceivable metals that are suitable.
  • Aluminum for example, has the advantage of being comparatively cheap.
  • Nickel layers have the advantage of less diffusing, but are more expensive.
  • Silver layers are even more expensive, but have the advantage of a particularly good electrical conductivity, but lead to higher diffusion. It goes without saying that, of course, suitable alloys can also be used.
  • Particularly preferred according to the invention is the production of each glass ribbon in the down-draw process or in the overflow downdraw fusion process.
  • each glass ribbon is separated after its removal by means of a laser cutting device into several individual bands.
  • each glass ribbon is pulled out after its removal by a Nachzieh compiler to an even smaller thickness.
  • glass tapes having a small thickness are particularly preferred, even thinner glass tapes with still further improved surface can be produced according to the invention, as a result of which the energy density of the capacitor produced can be further increased.
  • Fig. 1 shows a nozzle device for removing a glass sheet according to the down-draw method
  • FIG. 2 shows a greatly simplified illustration of a device for producing and winding a composite with two glass layers and two metal layers combined in alternating sequence with each other, the two glass layers being produced in each case in the down-draw method;
  • 3 is a simple representation of a device for drawing a glass ribbon after the down-draw process with a subsequent laser cutting direction for separating the produced glass ribbon into several individual glass bands;
  • Fig. 4 is a schematic view of a capacitor according to the invention.
  • Fig. 5 shows the relationship between the breakdown field strength (in kV / mm) and thickness (mm) and
  • Fig. 6 shows the quality ( ⁇ ) (V / mm 3 ) of the glass layer as a function of the thickness (mm).
  • Fig. 1 shows a nozzle device 10 of basically known type, which is used in a down-draw method to extract flat glass with an extremely high precision very thin.
  • the drawing tank is made of precious metals such as platinum or platinum alloys.
  • Below the drawing tank a nozzle device 10 with a slot nozzle 14 is arranged.
  • the size and shape of this slot nozzle 14 defines the flow of the drawn-out glass ribbon 16 and its thickness distribution across the width of the glass ribbon.
  • the glass ribbon is pulled down using drawing rollers 26, 28 (Fig. 2) and finally passes through an annealing furnace which adjoins the drawing rolls (not shown).
  • the annealing furnace slowly cools the glass down to room temperature to avoid strains in the glass.
  • the speed of the draw rolls defines the thickness of the glass ribbon.
  • the glass is bent from the vertical to a horizontal position for further processing.
  • the produced glass ribbon 16 can be wound up into a roll together with a paper as known in the art.
  • a metal foil for example a thin aluminum foil, be brought into contact with the glass.
  • a first glass ribbon with a metal foil, followed by a second glass ribbon, followed by a second metal foil is then wound into a composite and brought to the size of the final product.
  • the two metal foils which are electrically insulated from one another by the glass layer are then provided with connections 72, 74, so that a capacitor 70 is formed.
  • the wound composite 48 according to FIG. 4 is preferably additionally enclosed by a housing 76, which can be done, for example, by remelting with a relatively low-melting glass.
  • a device 20 is shown schematically to produce a composite 48 consisting of a first glass layer, followed by a metal foil, followed by a second glass layer and again followed by a second metal layer and wound on a roll 50.
  • a first glass ribbon 16 passes from a first pulling device 22 and is pulled by drawing rollers 26. After sufficient cooling, the glass ribbon 16 is coated with a metal foil, e.g. an aluminum foil 32 is wound, which is unwound from a roll 30 and is fed via a deflection roller 34. From a second drawing device 24, a second glass ribbon 18 is pulled out via drawing rollers 28 and is then fed via deflecting rollers 36, 38 onto the surface of the metal foil 32.
  • a second metal foil for example in the form of an aluminum foil 42, is unwound from a roll 40 and fed via a deflection roller 44.
  • the composite 48 thus formed is optionally wound on a roller 50 via further deflection rollers 45. It is important to ensure that the first metal foil protrudes to only one side and the second metal foil only to the other side to avoid flashovers or short circuits.
  • each glass band can be separated into a plurality of individual bands by means of a laser cutting device, which is preferably carried out immediately after the removal of the glass band 16 on the pulling device 22.
  • a pulled out of the pulling device 22 glass band 16 is shown schematically. On the presentation of drawing rolls, cooling zones and the like more was omitted for reasons of clarity.
  • the glass band 16 is first automatically checked by an inspection device 60. This may, for example, be a camera-based system. Subsequently, the glass ribbon 16 via a laser cutting device with a plurality of lasers 52, 54, 56, 58 in a series of single lanes 16 ', 16 ", 16"', 16 IV , 16 V divided.
  • These individual webs 16 ', 16 ", 16'", 16 lv , 16 V with a width of, for example, each 10 cm can then be further processed in a similar manner as shown in FIG. 2 or each unwound with paper.
  • glass tapes made of glass D263 with a thickness of 30 ⁇ m and glass tapes made of glass AF45 with a thickness of 50 ⁇ m are produced and wound up together with paper.
  • Glass AF45 is accordingly an alkali-free glass which is particularly preferred according to the invention.
  • the glass D263 is a comparative example because this glass contains 16% by weight of alkali oxides.
  • the dielectric breakdown strength of the two glass layers AF45 and D263 was determined. In this case, the AF45 glass film with a thickness of 50 ⁇ m exhibits a high dielectric strength of about 5 to 7 MV / cm.
  • the comparative example from D263 showed an average dielectric strength of only about 4 MV / cm. This means that the dielectric breakdown strength of the alkali-free glass AF45 is significantly better than that of the alkaline-containing glass D263. In this regard, it should be noted that it is well known that the dielectric strength of a dielectric increases with decreasing thickness (down to some limit). This shows the significantly improved dielectric strength of the AF45 alkali-free glass, since a higher dielectric strength was measured despite the greater thickness.
  • the total energy density E is related to the field strength U / d as follows:
  • ⁇ 0 8.854187 • 10 12 As / Vm dielectric field constant
  • ⁇ is the permittivity
  • U is the applied voltage
  • d is the thickness of the dielectric.
  • the permittivity number for AF45 was determined to be 6.2. Assuming a dielectric breakdown field strength of 7 MV / cm, the energy density for AF45 glass is 20 ⁇ 10 6 Ws / m 3 , which corresponds to 3.7 Wh / 1.
  • the energy density is about 40 ⁇ 10 6 Ws / m 3 , which corresponds to 11 Wh / 1.
  • Table 3 summarizes other alkali-free glasses that are particularly suitable for the inventive production of capacitors.
  • Fig. 6 the relationship between the breakdown field strength (kV / mm) and the thickness of the glass layer (mm) is graphically shown for the glass AF45. It can be seen that at lower thickness, the breakdown field strength increases.
  • FIG. 7 shows the quality of the glass layer (V / mm 3 ) as a function of the sample thickness (mm) for glass AF 45, with a value of 0.4 N for the roughness RMS. nometer (typical for fire-polished surfaces) is assumed. It can be seen that particularly advantageous values are above 20 12 V / mm 3 . This achieves highest energy densities.

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Abstract

Es wird ein Kondensator mit einem Dielektrikum aus einer Glasschicht (16, 18) mit einem Alkalioxidgehalt von höchstens 2 Gew.-% und mit einer Dicke von höchstens 50 μm angegeben, mit mindestens zwei Metallschichten, die durch die Glasschicht getrennt sind. Die Glasschicht wird vorzugsweise im Down-Draw-Verfahren oder im Overflow-Downdraw-Fusion-Verfahren hergestellt.

Description

Kondensator und Verfahren zur Herstellung eines solchen
Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit einem Dielektrikum aus Glas sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.
Das ständig zunehmende Bedürfnis zur Speicherung von Energie für Zeiten von MikroSekunden bis zu Tagen bei großer elektrischer Energiemenge erfordert Materialien mit speziellen dielektrischen Eigenschaften.
Im Stand der Technik werden in der Regel Polypropylen-Folienkondensatoren als Hochleistungskondensatoren verwendet. Sie können gerollt werden, und das Dielektrikum, Polypropylen, kann in Form sehr dünner Folie hergestellt werden. Jedoch begrenzt die dielektrische Durchschlagsspannung von ungefähr 1 MV/cm die Dichte, mit der Energie gespeichert werden kann.
Elektrolytkondensatoren können auch zu sehr hohen Speicherdichten gebracht werden. So wurde von Jeol in Japan ein Doppelschicht-Elektrolytkondensator mit Speicherdichten in der Größenordnung von 20 Wh/1 angekündigt QP 11288852 A2).
BESTATIGUNGSKOPIE Jedoch sind derartige Elektrolyten im Allgemeinen chemisch reaktiv, umweltschädlich und können in einigen Fällen sogar explosiv sein.
Ferner sind keramische Kondensatoren bekannt, die Keramiken als Dielektrikum verwenden, wie z.B. Kondensatoren mit ferroelektrischen Phasen. Allerdings begrenzt die Restporosität von Keramiken ihre dielektrische Durchschlagsfeldstärke.
Batterien, wie etwa Lithium-Ionen-Batterien liefern zurzeit die höchste Speicherdichte bis zu 800 Wh/1. Batterien haben jedoch eine begrenzte Lebensdauer und haben im Vergleich zu Kondensatoren Ladezeiten von bis zu mehreren Stunden.
Im Stand der Technik sind ferner Gläser als Dielektrikum für Kondensatoren bekannt. Es wurden bereits in den 40er-Jahren des letzten Jahrhunderts Glaskondensatoren beschrieben. Sie sind für elektronische Anwendungen für Satelliten und Raumfahrzeug weit verbreitet und können in sehr aggressiven Umweltbedingungen arbeiten. Es ist auch bekannt, dass die dielektrische Durchschlagsfeldstärke von Gläsern allgemein größer als die von den entsprechenden Kristallsystemen ist. In A. Hippel, RJ. Maurer, Phys. Rev., 59, 820 (1941) wurde dieses Phänomen beschrieben, indem die Durchschlagsfeldstärke von Quarzglas mit Quarzkristall verglichen wurde. Die Autoren geben eine Durchschlagsfeldstärke in der Größenordnung von 7 MV/cm für Quarzglas an.
Allerdings wäre die Herstellung von Kondensatoren aus Quarzglas ein außerordentlich teurer und zeitraubender Prozess.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen verbesserten Kondensator mit Glas als Dielektrikum anzugeben, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Kondensator mit mit mindestens zwei Metallschichten gelöst, die durch ein Dielektrikum in Form einer Glasschicht mit feuerpolierter Oberfläche getrennt sind, wobei die Glasschicht einen Alkalioxidgehalt von höchstens 2 Gew.-% und eine Dicke von höchstens 50 μm, vorzugsweise höchstens 40 μm, besonders bevorzugt von höchstens 30 μm, aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators mit den folgenden Schritten gelöst:
Bereitstellen eines Glases mit einem Alkalioxidgehalt von höchstens
2 Gew.-%;
- Ausziehen des Glases zu einem Glasband mit feuerpolierter Oberfläche von höchstens 50 μm Dicke;
Zusammenfügen des Glasbandes mit einer ersten Metallschicht und mindestens einer zweiten Metallschicht zu einem Verbund und
- elektrisches Kontaktieren der beiden Metallschichten.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß wurde nämlich festgestellt, dass dann, wenn alkaliarme oder alkalifreie Gläser als Dielektrikum verwendet werden, die dielektrische Durchschlagsfestigkeit von Quarzglas erreicht werden kann und sogar noch deutlich gesteigert werden kann.
Ferner wird durch die feuerpolierte Oberfläche die Durchschlagsfestigkeit erheblich verbessert.
Auf diese Weise wird mit der Verwendung von alkaliarmen dünnen feuerpolierten Glasschichten eine überraschend einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung von Kondensatoren mit hoher Energiespeicherdichte offenbart. In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist die Glasschicht eine Dicke von mindestens 5 μm, insbesondere von mindestens 10 μm, insbesondere von mindestens 15 μm auf.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere in diesem Dickenbereich mit bevorzugt 15-30 μm durch das stärkere Ausziehen der alkaliarmen Gläser eine besonders glatte Oberfläche geschaffen wird, durch die eine besonders hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit begünstigt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung weist der Kondensator einen Schichtverbund auf, der mindestens aus einer ersten Glasschicht, auf der eine erste Metallschicht vorgesehen ist, auf der mindestens eine zweite Glasschicht und mindestens eine zweite Metallschicht vorgesehen ist, besteht, wobei der Schichtverbund aufgewickelt ist und die beiden Metallschichten jeweils mit Anschlüssen elektrisch verbunden sind.
Es hat sich gezeigt, dass derartige dünne Glasschichten auch ohne weiteres aufgewickelt werden können, so dass sich eine besonders hohe Energiemenge auf kleinstem Raum speichern lässt.
In weiter bevorzugter Ausführung der Erfindung besteht jede Glasschicht aus einem Glas mit einem Alkalioxidgehalt von höchstens 1 Gew.-%, vorzugsweise von höchstens 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von höchstens 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt von höchstens 0,05 Gew.-%.
Durch Verwendung von besonders alkaliarmen Gläsern lässt sich erfindungsgemäß die Durchschlagsfestigkeit noch weiter steigern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weist jede Glasschicht eine Güte (ζ) von mindestens 20 • 1012 V/mm3, vorzugsweise von mindestens 50 • 1012 V/mm3, hat, wobei die Güte gefiniert ist als Quotient aus der Durchschlagfeld- stärke und dem Produkt aus der Dicke und der Rauhigkeit der Oberfläche der Glasschicht.
Je geringer die Dicke der Glasschicht und je geringer die Rauhigkeit der Glasoberfläche, desto besser wird die Durchschlagsfestigkeit, wie durch diese Kennzahl zum Ausdruck gebracht wird.
Bei Verwendung einer Glasschicht mit hoher Güte lässt sich eine besonders hohe Energiedichte bzw. eine besondes kleine Baugröße erzielen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht jede Glasschicht aus einem Glas mit einer elektrischen Leitfähigkeit von höchstens 10 15 S/cm besteht.
Bei Verwendung von derartigen Gläsern mit einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit, ergibt sich eine Zeitkonstante für die Entladung in der Größenordnung von Minuten bis Tagen. Dies bedeutet, dass die Entladung des Kondensators nicht durch dielektrische Restleitfähigkeit, sondern eher durch das Gehäuse des Kondensators und weitere Einflüsse bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die verwendeten Gläser einen dielektrischen Verlustwinkel (tan δ) von höchstens 0,001 bei 1 kHz auf.
Besonders geeignete Gläser zur Herstellung des Dielektrikums weisen die folgenden Komponenten (in Gew.-% auf Oxidbasis) auf:
SiO2 40-75
Al2O3 1-25
B2O3 0-16
Erdalkalioxide 0-30
Alkalioxide 0-2. Insbesondere sind Gläser bevorzugt, die die folgenden Komponenten (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthalten:
SiO2 45-70
Al2O3 5-25
B2O3 1-16
Erdalkalioxide 1-30
Alkalioxide 0-1.
Vorzugsweise beträgt die maximale mittlere Rauhtiefe (RMS) vorzugsweise 1 Nano- meter, vorzugsweise höchstens 0,8 Nanometer, besonders bevorzugt höchstens 0,5 Nanometer.
Mit einer derartig glatten Oberfläche wird eine besonders hohe dielektrische Durchschlagsspannung erzielt. Typischerweise beträgt die maximale mittlere Rauhtiefe etwa 0,4 Nanometer bei einer feuerpolierten Glasschicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein erstes und ein zweites Glasband ausgezogen und das erste Glasband mit der ersten Metallschicht zusammen mit dem zweiten Glasband und einer zweiten Metallschicht zu einem Verbund zusammengefügt und aufgewickelt.
Es lässt sich so eine besonders kostengünstige Herstellung ermöglichen. Hierbei kann zur Erzielung einer dauerhaften Verbindung jeweils eine Klebeschicht (z.B. Epoxikle- ber) zwischen benachbarten Schichten z.B. als Sprühschicht aufgetragen werden. Alternativ könnte die Klebeschicht schon auf der aufgewickelten Metallschicht (Metallfolie) als Beschichtung vorhanden sein. In diesem Fall müsste als Trennschicht eine Papierfolie oder dgl. mit eingewickelt sein, die dann vor der Verbindung mit der Glasschicht wieder abgewickelt wird. Weiter alternativ kann jedes Glasband zunächst aus der Schmelze gezogen werden und mit Papier zu einer Rolle aufgewickelt werden. Dann kann zu einem späteren Verfahrenszeitpunkt die Metallschicht aufgebracht werden bzw. das Glasband nach Abwickeln der Papierschicht mit einer Metallfolie zusammen gewickelt werden.
Als Metalle kommen alle denkbaren Metalle in Frage, die geeignet sind. Aluminium etwa hat den Vorteil, beosnders preisgünstig zu sein. Nickelschichten haben den Vorteil, weniger zu diffundieren, sind jedoch teurer. Silberschichten sind zwar noch teurer, haben aber den Vorteil einer besonders guten elektrischen Leitfähigkeit, führen allerdings zu höherer Diffusion. Es versteht sich, dass natürlich auch geeignete Legierungen verwendet werden können.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist die Herstellung jedes Glasbandes im Down- Draw- Verfahren oder im Overflow-Downdraw- Fusion -Verfahren.
Es hat sich gezeigt, dass beide Verfahren, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind (vgl. z.B. WO 02/051757 A2 für das Down-Draw- Verfahren sowie WO 03/051783 Al für das Overflow-Downdraw-Fusion-Verfahren) besonders geeignet sind, um dünne Glasbänder von 50 μm oder weniger auszuziehen. Da beide Verfahren grundsätzlich bekannt sind, werden diese hier nicht in größerem Detail erläutert. Für Einzelheiten wird auf die WO 02/051757 A2 sowie auf die WO 03/051783 Al verwiesen, deren Offenbarung hier vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird jedes Glasband nach seinem Ausziehen mittels einer Laserschneideinrichtung in mehrere Einzelbänder getrennt.
Auf diese Weise wird der Verfahrensablauf bei der Herstellung von kleinen Kondensatoren ausgehend von relativ breiten Glasbändern vereinfacht. Durch Verwendung eines Laserschneidverfahrens lässt sich eine sehr schonende Trennung des Glasbandes in kleinere Glasbänder gewährleisten, die vorzugsweise auch an den Rändern eine Oberfläche wie eine feuerpolierte Oberfläche ergibt. Auf diese Weise kann eine besonders hohe dielektrische Durchschlagsspannung gewährleisten werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird jedes Glasband nach seinem Ausziehen durch ein Nachziehverfahren zu einer noch geringeren Dicke ausgezogen.
Da Glasbänder mit geringer Dicke besonders bevorzugt sind, lassen sich so erfindungsgemäß noch dünnere Glasbänder mit noch weiter verbesserter Oberfläche herstellen, wodurch die Energiedichte des hergestellten Kondensators weiter gesteigert werden kann.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Düseneinrichtung zum Ausziehen eines Glasblandes nach den Down- Draw- Verfahren
Fig. 2 eine stark vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen und Aufwickeln eines Verbundes mit zwei Glasschichten und zwei Metallschichten, die in abwechselnder Reihenfolge miteinander kombiniert sind, wobei die beiden Glasschichten jeweils im Down-Draw-Verfahren hergestellt werden;
Fig. 3 ein einfache Darstellung einer Vorrichtung zum Ziehen eines Glasbandes nach dem Down-Draw-Verfahren mit einer nachfolgenden Laserschneidein- richtung zum Auftrennen des hergestellten Glasbandes in mehrere Einzelglasbänder;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kondensators;
Fig. 5 den Zusammenhang zwischen der Durchschlagsfeldstärke (in kV/mm) und Dicke (mm) und
Fig. 6 die Güte (ζ) (V/mm3) der Glasschicht als Funktion der Dicke (mm).
Fig. 1 zeigt eine Düseneinrichtung 10 grundsätzlich bekannter Bauart, die bei einem Down-Draw-Verfahren verwendet wird, um Flachglas mit einer äußerst hohen Präzision sehr dünn auszuziehen. Bei dem grundsätzlich in der WO 02/051757 A2 beschriebenen Down-Draw-Verfahren fließt blasenfreies und gut homogenisiertes Glas in ein Glasreservoir, den sog. Ziehtank. Der Ziehtank besteht aus Edelmetallen, wie etwa Platin oder Platinlegierungen. Unterhalb des Ziehtanks ist eine Düseneinrichtung 10 mit einer Schlitzdüse 14 angeordnet. Die Größe und die Form dieser Schlitzdüse 14 definiert den Durchfluss des ausgezogenen Glasbandes 16 sowie seine Dickenverteilung über die Breite des Glasbandes. Das Glasband wird unter Verwendung von Ziehrollen 26, 28 (Fig. 2) nach unten gezogen und gelangt schließlich durch einen Glühofen, der sich an den Ziehrollen anschließt (nicht dargestellt). Der Glühofen kühlt das Glas bis auf Raumtemperatur langsam herunter, um Spannungen im Glas zu vermeiden. Die Geschwindigkeit der Ziehrollen definiert die Dicke des Glasbandes. Nach dem Ziehvorgang wird das Glas aus der vertikalen in eine horizontale Lage zum weiteren Verarbeiten gebogen.
Das hergestellte Glasband 16 kann, wie im Stand der Technik bekannt, mit einem Papier zusammen zu einer Rolle aufgewickelt werden. Zur weiteren Herstellung des Kondensators muss dann zu einem späteren Zeitpunkt das Papier wieder abgewickelt werden und stattdessen eine Metallfolie, z.B. eine dünne Aluminiumfolie, mit dem Glas in Kontakt gebracht werden. Zur Herstellung eines Kondensators, etwa gemäß Fig. 4, wird dann ein erstes Glasband mit einer Metallfolie, gefolgt von einem zweiten Glasband, gefolgt von einer zweiten Metallfolie zu einem Verbund zusammengewickelt und auf die Größe des Endproduktes gebracht. Die beiden durch die Glasschicht elektrisch voneinander isolierten Metallfolien werden sodann mit Anschlüssen 72, 74 versehen, so dass ein Kondensator 70 entsteht. Der aufgewickelte Verbund 48 gemäß Fig. 4 wird vorzugsweise zusätzlich noch von einem Gehäuse 76 umschlossen, was bspw. durch Umschmelzen mit einem relativ niedrig schmelzenden Glas erfolgen kann.
In Fig. 2 ist schematisch eine Vorrichtung 20 dargestellt, um einen Verbund 48 bestehend aus einer ersten Glasschicht, gefolgt von einer Metallfolie, gefolgt von einer zweiten Glasschicht und wiederum gefolgt von einer zweiten Metallschicht herzustellen und auf einer Rolle 50 aufzuwickeln. Ein erstes Glasband 16 gelangt aus einer ersten Zieheinrichtung 22 und wird durch Ziehrollen 26 gezogen. Nach ausreichender Abkühlung wird das Glasband 16 mit einer Metallfolie, z.B. einer Aluminiumfolie 32 zusammengewickelt, die von einer Rolle 30 abgewickelt wird und über eine Umlenkrolle 34 zugeführt wird. Aus einer zweiten Zieheinrichtung 24 wird ein zweites Glasband 18 über Ziehrollen 28 ausgezogen und wird anschließend über Umlenkrollen 36, 38 auf die Oberfläche der Metallfolie 32 zugeführt.
Nachfolgend wird eine zweite Metallfolie, etwa in Form einer Aluminiumfolie 42 von einer Rolle 40 abgewickelt und über eine Umlenkrolle 44 zugeführt. Der so gebildete Verbund 48 wird ggf. über weitere Umlenkrollen 45 auf einer Rolle 50 aufgewickelt. Hierbei ist darauf zu achten, dass die erste Metallfolie zu nur einer Seite übersteht und die zweite Metallfolie nur zu der anderen Seite, um Überschläge bzw. Kurzschlüsse zu vemeiden.
Aus Fig. 3 ist schließlich ersichtlich, dass jedes Glasband über eine Laserschneideinrichtung in mehrere Einzelbänder aufgetrennt werden kann, was vorzugsweise unmittelbar nach dem Ausziehen des Glasbandes 16 auf der Zieheinrichtung 22 erfolgt. In Fig. 3 ist ein aus der Zieheinrichtung 22 ausgezogenes Glasband 16 schematisch dargestellt. Auf die Darstellung von Ziehrollen, Kühlzonen und dergleichen mehr wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Das Glasband 16 wird nach dem Verlassen der Zieheinrichtung 22 zunächst automatisch über eine Inspektionseinrichtung 60 kontrolliert. Es kann sich hierbei bspw. um ein kameragestütztes System handeln. Anschließend wird das Glasband 16 über eine Laserschneideinrichtung mit mehreren Lasern 52, 54, 56, 58 in einer Reihe von Einzelbahnen 16', 16", 16"', 16 IV, 16V aufgeteilt. Diese Einzelbahnen 16', 16", 16'", 16 lv, 16V mit einer Breite von z.B. jeweils 10 cm können dann in entsprechender Weise wie gemäß Fig. 2 weiterverarbeitet werden oder jeweils mit Papier ausgewickelt werden.
Beispiele
Im Down-Draw- Verfahren werden Glasbänder aus dem Glas D263 mit einer Dicke von 30 μm und Glasbänder aus dem Glas AF45 mit einer Dicke von 50 μm hergestellt und zusammen mit Papier aufgewickelt.
Anschließend wurde die Eignung der hergestellten Glasfolien zur Herstellung von Kondensatoren überprüft.
Die typische Zusammensetzung der beiden Gläser AF45 und D263, die beide von der Schott AG hergestellt und vertrieben werden, ist in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beim Glas AF45 handelt es sich demnach um ein alkalifreies Glas, das erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist. Dagegen handelt es sich bei dem Glas D263 um ein Vergleichsbeispiel, da dieses Glas 16 Gew.-% an Alkalioxiden enthält.
Die mittlere Rauhigkeit (RMS), nach DIN ISO 1302 auch als arithmetischer Mitten- rauhwert (Ra) bezeichnet, liegt bei beiden Glasbändern zwischen etwa 0,4 und 0,5 nm. Die Oberfläche ist also äußerst glatt. Die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der beiden Glasschichten AF45 und D263 wurde bestimmt. Hierbei zeigt es sich bei der Glasfolie aus AF45 mit 50 μm Dicke eine hohe Durchschlagsfestigkeit von etwa 5 bis 7 MV/cm.
Beim Vergleichsbeispiel aus D263 zeigte sich eine mittlere Durchschlagsfestigkeit von nur etwa 4 MV/cm. Dies bedeutet, dass die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des alkalifreien Glases AF45 deutlich besser ist, als diejenige des alkalihaltigen Glases D263. In diesem Zusammmenhang ist zu berücksichtigen, dass es allgemein bekannt ist, dass die Durchschlagsfestigkeit eines Dielektrikums mit abnehmender Dicke (bis zu einem gewissen Grenzwert hin) zunimmt. Damit zeigt die die deutlich verbesserte Durchschlagsfestigkeit des alkalifreien Glases AF45, da eine höhere Durchschlagsfestigkeit trotz der größeren Dicke gemessen wurde.
Die gesamte Energiedichte E hängt mit der Feldstärke U/d wie folgt zusammen:
wobei ε0 = 8,854187 • 10 12As/Vm dielektrische Feldkonstante ist, ε die Permittivitäts- zahl ist, U die angelegte Spannung ist und d die Dicke des Dielektrikums ist. Die Permittivitätszahl für AF45 wurde mit 6,2 bestimmt. Unter der Annahme einer dielektrischen Durchschlagsfeldstärke von 7 MV/cm erhält man die Energiedichte für das Glas AF45 mit 20 • 106 Ws/m3, was 3,7 Wh/1 entspricht.
Tab. 2
Unter der Annahme der erwarteten höheren dielektrischen Durchschlagsfeldstärke von 12 MV/cm bei einer dünneren Glasfolie für das Glas AF45 erhält man eine Energiedichte von etwa 40 • 106 Ws/m3, was 11 Wh/1 entspricht.
Für das Glas D263, das etwa 16 Gew.-% Alkalioxide enthält wurde dagegen eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit von lediglich etwa 4 MV/cm bestimmt, was zu einer entsprechend niedrigeren charakteristischen Energiedichte führt.
Die deutlich höhere dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Glases AF45 im Vergleich zum Glas D263 wird auf die Alkalifreiheit des Glases AF45 zurück geführt. Es wird davon ausgegangen, dass andere alkalifreie Gläser, wie bspw. AF32, AF37 und 8252, die ebenfalls von der Schott-AG hergestellt und vertrieben werden, zu gleich guten Ergebnissen führen. Die Zusammensetzung dieser Gläser ist in Tab. 2 angegeben.
In Tab. 3 sind weitere alkalifreie Gläser zusammengefasst, die für die erfindungsgemäße Herstellung von Kondensatoren besonders geeignet sind.
Es versteht sich, dass in den vorgenannten Gläsern gemäß der Tab. 1 bis 3 etwa bis zu 0,5 Gew.-% an Alkalioxiden als Verunreinigungen enthalten sein können (auf Grund von Verunreinigungen der Rohstoffe und Ausschmelzungen aus der Feuerfestverkleidung).
In Fig. 6 ist für das Glas AF45 der Zusammenhang zwischen der Durchschlagsfeldstärke (kV/mm) und der Dicke der Glasschicht (mm) grafisch dargestellt. Man erkennt, dass bei geringerer Dicke die Durchschlagsfeldstärke zunimmt.
In Fig. 7 ist für das Glas AF45 die Güte der Glasschicht (V/mm3) als Funktion der Probendicke (mm) dargestellt, wobei für die Rauhigkeit RMS ein Wert von 0,4 Na- nometer (typisch für feuerpolierte Oberflächen) vorausgesetzt ist. Man erkennt, dass besonders vorteilhafte Werte oberhalb von 2012 V/mm3 liegen. Hiermit erreicht man höchste Energiedichten.

Claims

Patentansprüche
1. Kondensator mit mindestens zwei Metallschichten (32, 42), die durch ein Dielektrikum in Form einer Glasschicht (16, 18) mit feuerpolierter Oberfläche getrennt sind, wobei die Glasschicht (16, 18) einen Alkalioxidgehalt von höchstens 2 Gew.-% und eine Dicke von höchstens 50 μm, vorzugsweise höchstens 40 μm, besonders bevorzugt von höchstens 30 μm, aufweist.
2. Kondensator nach Anspruch 1, bei dem die Glasschicht (16, 18) eine Dicke von mindestens 5 μm, insbesondere von mindestens 10 μm, insbesondere von mindestens 15 μm aufweist.
3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Metallschichten (32, 42) und die Glasschicht (16, 18) zu einem Schichtverbund (48) aufgewickelt ist und die beiden Metallschichten (32, 42) jeweils mit Anschlüssen (72, 74) elektrisch verbunden sind.
4. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Glasschicht (16, 18) aus einem Glas mit einem Alkalioxidgehalt von höchstens 1 Gew.-%, vorzugsweise von höchstens 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von höchstens 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt von höchstens 0,05 Gew.-% besteht.
5. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Glasschicht (16, 18) aus einem Glas mit einer elektrischen Leitfähigkeit von höchstens 1015 S/cm besteht.
6. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Glasschicht (16, 18) aus einem Glas mit einem dielektrischen Verlustwinkel (tan δ) von höchstens 0,001 bei 1 kHz besteht.
7. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Glasschicht (16, 18) aus einem Glas besteht, das die folgenden Komponenten (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthält:
SiO2 40-75
Al2O3 1-25
B2O3 0-16
Erdalkalioxide 0-30
Alkalioxide 0-2.
8. Kondensator nach Anspruch 7, bei dem jede Glasschicht (16, 18) aus einem Glas besteht, das die folgenden Komponenten (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthält:
SiO2 45-70
Al2O3 5-25
B2O3 1-16
Erdalkalioxide 1-30
Alkalioxide 0-1.
9. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Glasschicht (16, 18) eine maximale mittlere Rauhtiefe RMS von höchstens 1 Nanometer, vorzugsweise von höchstens 0,8 Nanometer, besonders bevorzugt von höchstens 0,5 Nanometer aufweist.
10. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Glasschicht (16, 18) eine Güte (ζ) von mindestens 20 • 1012 V/mm3, vorzugsweise von mindestens 50 • 1012 V/mm3, hat, wobei die Güte gefiniert ist als Quotient aus der Durchschlagfeldstärke und dem Produkt aus der Dicke und der Rauhigkeit der Oberfläche der Glasschicht.
11. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Glases mit einem Alkalioxidgehalt von höchstens 2 Gew.-%;
Ausziehen des Glases zu einem Glasband (16, 18) mit feuerpolierter Oberfläche von höchstens 50 μm Dicke;
Zusammenfügen des Glasbandes (16, 18) mit einer ersten Metallschicht (32) und mindestens einer zweiten Metallschicht (42) zu einem Verbund (48) und elektrisches Kon taktieren der beiden Metallschichten (32, 42).
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein erstes (16) und ein zweites (18) Glasband ausgezogen werden und das erste (16) Glasband mit der ersten Metallschicht (32) zusammen, mit dem zweiten (18) Glasband und einer zweiten Metallschicht (42) zu einem Verbund (48) zusammen gefügt und aufgewickelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem zwischen benachbarten Schichten (16, 18, 32, 42) jeweils eine Klebeschicht eingefügt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei dem jedes Glasband (16, 18) im Down-Draw- Verfahren oder im Overflow-Downdraw-Fusion-Verfahren hergestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem jedes Glasband (16, 18) nach seinem Ausziehen mittels einer Laserschneideinrichtung in mehrere Einzelbänder (16', 16", 16'", 16 1V) getrennt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem jedes Glasband (16, 18) nach seinem Ausziehen durch ein Nachziehverfahren zu einer noch geringeren Dicke ausgezogen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem jedes die Glasband (16, 18) auf eine Dicke von höchstens 40 μm, besonders bevorzugt von höchstens 30 μm ausgezogen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem jedes Glasband (16, 18) auf eine Dicke von mindestens 5 μm, insbesondere von mindestens 10 μm, insbesondere von mindestens 15 μm ausgezogen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem jedes Glasband (16, 18) aus einem Glas mit einem Alkalioxidgehalt von höchstens 1 Gew.-%, vorzugsweise von höchstens 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von höchstens 0, 1 Gew.-%, besonders bevorzugt von höchstens 0,05 Gew.-% hergestellt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem jedes Glasband (16, 18) aus einem Glas mit einer elektrischen Leitfähigkeit von höchstens 10" 15 S/cm besteht.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, bei dem jedes Glasband (16, 18) aus einem Glas mit einem dielektrischen Verlustwinkel (tan δ) von höchstens 0,001 bei 1 kHz besteht.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, bei dem jedes Glasband (16, 18) aus einem Glas hergestellt wird, das die folgenden Komponenten (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthält:
SiO2 40-75
Al2O3 1-25
B2O3 0-16
Erdalkalioxide 0-30
Alkalioxide 0-2.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, bei dem jedes Glasband (16, 18) aus einem Glas hergestellt wird, das die folgenden Komponenten (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthält:
SiO2 45-70
Al2O3 5-25
B2O3 1-16
Erdalkalioxide 1-30
Alkalioxide 0-1.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 23, bei dem jedes Glasband (16, 18) derart ausgezogen wird, dass sich an seinen beiden Oberflächen ein arithmetischer Mittenrauhwert (RMS) von höchstens 1 Nanometer, vorzugsweise von höchstens 0,8 Nanometer, besonders bevorzugt von höchstens 0,5 Nanometer ergibt.
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