JP2007157413A

JP2007157413A - 良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料

Info

Publication number: JP2007157413A
Application number: JP2005348761A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Suzuki; 養樹鈴木; Hiroaki Matsui; 宏昭松井
Original assignee: Forestry and Forest Products Research Institute
Current assignee: Forestry and Forest Products Research Institute
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】環境性に優れる天然高分子材を用いて電子機器類の小型化、高性能化に対応できる電気特性すなわち、優れた焦電性、誘電率、圧電率を具備してコンデンサ材、センサー材等として新規有効な電子部品材料を提供する。
【解決手段】誘電性バインダーとこれに強誘電性物質を均一に分散混合して形成した複合物に所定電圧を印加してなり、前記誘電性バインダーはグルコース環を有する多糖類、キチン又はポリ乳酸から選ばれたいずれかで、また前記強誘電性物質はぺロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス多結晶体から選ばれたいずれかでそれぞれ構成したことを特徴とする良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。
【選択図】図１

Description

本願発明は、セルロースその他の天然高分子材料を基材とし、好適な高誘電性、焦電性、圧電性を具えコンデンサ類その他に有用な良好な機能を有する強誘電性複合電子部材に関するものである。

コンデンサ類の誘電体としては、例えば絶縁紙やプラスチックフィルム特にポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンフィルムが広く用いられてきたが、近年の電子機器および電力機器の小型化、高性能化の要求に伴い小型、高性能のコンデンサの実現が要望されている。

高誘電率誘電体として、従来から多糖類誘導体が注目され、例えばシアノエチル化セルロース、シアノエチル化ルブラン、ニトロセルロース等が開発されている。
しかしながらこれらはなお、誘電損失が高い、絶縁耐圧が低い、また高温下での電気特性の低下が顕著である、吸湿性等の問題があり充分な実用性を発揮するにいたっていない。また、フィルム化において造膜性、塗膜性に劣り脆弱である等の問題もあり、信頼性のあるコンデンサ材料とはなり得なかった。

なお、本願発明に関連する技術が以下のような文献において開示されている。
特開２００３−１３３１６２特開２０００−２９４４４７特開平１１−２０４３６５特開平０６−２４３７１７

本願発明は、環境性に優れる天然高分子材を用いて電子機器類の小型化、高性能化に対応できる電気特性を有する電子部品材料としてのコンデンサ材、センサー−材等、特にフィルム形態に際しての造膜性、塗膜性、吸湿防止機能、高温下の蓄電性等に優れた電子部品材料の提供を目的としている。

本願発明は、誘電性バインダーとこれに強誘電性物質を均一に分散混合して形成した複合物に所定電圧を印加してなる良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料を提供して上記従来の課題を解決しようとするものである。

また、上記の電子部品において、誘電性バインダーはグルコース環を有する多糖類、セルロース、キチン又はポリ乳酸から選ばれたいずれかで構成することがある。

さらに、上記の電子部品において、前記強誘電性物質はぺロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス多結晶体から選ばれたいずれかで構成することがある。

またさらに、上記の電子部品において、誘電性バインダーはシアノエチル化セルロースおよび／又はプルランで構成することがある。

さらに、上記の電子部品において、前記ぺロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス多結晶体はチタン酸バリウム（BaTiO₃）、ジルコン酸チタン鉛(ＰＺＴ)又はチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）などで構成することがある。

また、上記いずれか記載の電子部品において、表面に撥水性処理を施すことがある。

そして又、上記いずれか記載の電子部品において、溶媒キャストにより成型、もしくは熱溶融した電子部品を熱圧プレスにより圧縮成型してフィルム状に形成することがある。

以上の構成により本願発明にあっては、環境性に優れた天然高分子材により良好な電気特性を有する電子部品としてのコンデンサ材を得ることができる。すなわち、この電子部品は高温での放電性が少なく、高誘電率、低誘電損失、高い絶縁破壊電圧等を有していて、吸湿防止機能、焦電性、圧電性も良好であり、フィルム化においても造膜性、塗膜性に優れ電子部材として薄膜化、軽量化、高性能化の要求に適性に対応することができる。

本願発明において、基材となる誘電性バインダーはグルコース環を有する多糖類のうちのシアノエチル化セルロース又はプルランにより、またこれら基材に分散混合する強誘電性物質はいわゆるぺロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス多結晶体が望ましく、具体的にはチタン酸バリウム（BaTiO₃）、ジルコン酸チタン鉛(ＰＺＴ)又はチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）などを用いる。

以上により形成される電子部品材料は、熱溶融した電子部品を熱圧プレスにより圧縮成型してフィルム状に形成すると電子部品材料としての適用範囲が広くなる。このように複合形成したフィルムに高温で数ＫＶの高電圧を加え誘電率等の電気的性能を改善する。

また、フィルムの表面には吸湿防止対策としてフッ素コーティングを施す等の撥水処理をなすことが望ましい。

以下、本願発明に係る電子部品の１実施例を説明する。
（１）試料作成
基材となる誘電性バインダーにはシアノエチルプルラン（ＣＥＰ、信越化学株式会社製）を用い、基材に分散混合する強誘電性物質としては豊島製作所製のチタン酸バリウム（BaTiO₃）の＃２００粉末を用いた。なお、強誘電性物質はポーリング処理の効果を比較するためにジルコン酸チタン鉛(ＰＺＴ)も併せて使用した。
シアノエチルプルラン（ＣＥＰ）とチタン酸バリウム（BaTiO₃）またはジルコン酸チタン鉛(ＰＺＴ)の粉末を所定の割合で３種類、摂氏１５０−１６０度の温度下で１０分間混練した。なお、試料全体の重量に対する強誘電性物質の混合率は１０％、２０％、７５％の３種とした。

その後、いったん冷却し、摂氏１５０度に設定した熱圧プレス機に混練試料を２−３ｇ入れ２ｋｇ／ｃｍ²の圧力を加え、厚さ４５０−５００μｍのフィルム状に成型した。
ここで、強誘電性物質の粉末がシアノエチルプルラン中に均等に分散している状態をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観測確認した。

（２）試料のポーリング処理（電圧印加若しくは分極配向処理）
前記試料を分極配向させるため、高温にした試料に高電圧を加えて双極子を配向させる処理を行った。すなわち、高電界を加えたまま室温まで冷却した。具体的には、温度を摂氏１２０−１５０度に設定した恒温槽に入れ、取り出して直ちに１−５ＫＶの範囲で直流電圧を１−３分間加えたまま徐冷した。

（３）電気的性質評価
（ａ）圧電率・誘電率・弾性評価
誘電率・圧電率を求めるために、前記徐冷後の試料を幅０．５ｃｍ、長さ２ｃｍ、厚さ０．３ｍｍ−０．５ｍｍの短冊状に切り出し、その両面に金蒸着をなして面積０．５ｃｍ²の電極を形成した。
誘電率・圧電率および弾性率の温度特性と誘電率の周波数特性をレオログラフソリッドで測定した。図１は前記測定結果のグラフであり、複合による誘電率、圧電率の温度特性変化を表している（グラフにおいて、△：ポーリング処理複合フィルム、▲：複合フィルム、○：非複合非ポーリング、●：非複合ポーリング処理）。これによれば、複合およびポーリング処理により、誘電率および圧電率が以下に示すように未処理に比べ、その値が向上していることが次の表１のように判明する。
表１
誘電率と圧電率の複合・非複合フィルムの比較
フィルム環境温度（摂氏）２０度５０度８０度
複合フィルム誘電率１．３７１．１５１．０５
複合フィルム圧電率５７．２７２５．７４５．６８

（ｂ）焦電率評価
焦電性の評価には、２ｃｍ平方に切り出した前記試料片を用いた。この試料片を摂氏−１００度から１５０度まで温度が可変の温度槽にセットし温度上昇率を変えて発生する電荷を微小電流計により観測した。図２は、この結果を示すグラフでありこれから明らかなように、常温以上で複合フィルムは、非複合フィルム（CEPのみ）に比べ２−３倍の焦電率を有することが判明する。

（ｃ）Ｄ−Ｅヒステリシス評価
強誘電性発現を確認するためにＤ−Ｅヒステリシスカーブの観測を行った。最大１０ｋＶの交流電圧を印加できる装置により、発生した電荷は増幅器を通してオシロスコープで波形を観測した。強誘電性現象には加えた電界に対して分極に履歴（ヒステリシス）が発生する。強誘電性を持たないものは電界に対して楕円状になる一方、強誘電性を持つ場合は、いす型に屈曲する形状を示す。なお、図３は前記観測に基づくD-Eヒステレシスカーブの一例を示すグラフであり、加えた電界が低い場合は楕円型になるが電界を上昇させると次第に楕円が歪んでいす型に変化することが判明する。

（ｄ）非線形誘電率顕微鏡による観察評価
強誘電性の発現ならびにポーリングの効果を評価した。すなわち、７５％BaTiO3複合のみと７５％BaTiO3複合後ポーリング処理したものとを観察比較した。ポーリング処理を行うと強誘電性に顕著な３次の誘電率が高くなることが確認された。

ところで、図１に関して前述したように、誘電率および圧電率に関して、単に複合化したフィルム（バインダーと強誘電材の混合体のフィルム）では、さほど向上しない。
しかし、前記表１に示すようにポーリング処理により常温において誘電率は１．４倍、圧電率は５７倍になることが明らかである。
また、図４に示すようにバインダーと強誘電材の複合割合とポーリング処理による効果を常温で比較し、複合割合を高くしてポーリング処理を行うと誘電率は飛躍的に大きくなり、例えば、１００Ｈｚにおける誘電率は１２から２０へ、７５％では７０から１００へ大きく変化している。

焦電性に関しては、前記図２に明らかなようにセルロースやプルランだけのフィルムと比較し、上述のように複合化しポーリング処理を施したものは数倍の焦電率を具備する結果となっている。

Ｄ−Ｅヒステリシスカーブの発現に関しては、従来合成高分子では報告されているが、本願発明にあって、プルラン等の多糖類でも観測できた。すなわち、ポーリング処理をしていないものは、いす型のパターンは発生しないが、処理を行うと、０．１−１Ｈｚの低い周波数で発現することが確認された。これは、セルロースなどの材料では初めての例といえる。

非線形誘電顕微鏡により局所的な強誘電性の観察評価をなした。すなわち、上記試料片につき、５０μｍ平方のエリアの高次の誘電率を観測して複合割合とポーリング処理の効果について所定の関係を見出した。これによれば、１０％の複合率では複合のみでは誘電率は高くならず、かつポーリング処理してもその効果は低い。複合率が２０％、７０％と増加すると複合化のみでも多少向上する傾向示すが、これはポーリング処理により強誘電性の発現が得られることが明らかとなっている。すなわち、非線形誘電率顕微鏡による観察評価の項で前述したようにポーリング処理を行うと強誘電性に顕著な３次の誘電率が高くなることが確認されている。

上記実施例では、誘電性バインダーとしてシアノエチルプルラン（ＣＥＰ）を使用しているが、この他のグルコース環を有する天然高分子はもちろん、キチン、ポリ乳酸等の使用も可能である。また、強誘電性物質もぺロブスカイト型のチタン酸バリウム（BaTiO₃）等を使用したが、ジルコン酸チタン鉛(ＰＺＴ)又はチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）も適用可能である。ただし、低環境負荷の見地からは鉛を用いないチタン酸バリウム（BaTiO₃）の使用が有利である。なお、強誘電性物質の添加は、誘電効率の向上のみでなく部材の絶縁性の確保し、絶縁破壊を防止する意義を有している。

本願発明は上述のような構成作用を有し優れた焦電性、誘電率、圧電率を具備する一方、基材としてセルロース、プルラン等の再生産が可能な生物資源を使用しており、省資源、省エネルギーの見地から評価しえるものであり、コンデンサ材としてあるいは良好な焦電性に着目しての熱センサー材等として新規有用な電子部品を提供することができる。

本願発明の１実施例に係る誘電率・圧電率温度特性の観測結果を示すグラフである。本願発明の１実施例に係る焦電性の観測結果を示すグラフである。 D-Eヒステレシスカーブの観測結果に係るグラフである。各試験片における誘電率の周波数特性を示すグラフである。

Claims

誘電性バインダーとこれに強誘電性物質を均一に分散混合して形成した複合物に所定電圧を印加してなる良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。
請求項１記載の電子部品において、誘電性バインダーはグルコース環を有する多糖類、セルロース、キチン又はポリ乳酸から選ばれたいずれかであることを特徴とする良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。
請求項２記載の電子部品において、前記強誘電性物質はぺロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス多結晶体から選ばれたいずれかであることを特徴とする良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。
請求項３記載の電子部品材料において、誘電性バインダーはシアノエチル化セルロースおよび／又はプルランであることを特徴とする良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。
請求項４記載の電子部品において、前記ぺロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス多結晶体はチタン酸バリウム（BaTiO₃）、ジルコン酸チタン鉛(ＰＺＴ)又はチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）などのいずれかであることを特徴とする良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。
請求項１ないし５いずれか記載の電子部品において、表面に撥水処理を施したことを特徴とする良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。
請求項１ないし６いずれか記載の電子部品において、フィルム状に形成したことを特徴とする良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。
請求項７記載の電子部品において、フィルム状への形成は、溶媒キャスト法により成型または熱溶融した電子部品を熱圧プレスにより圧縮成型してなる良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料。