JP2009501450A - 小型薄膜および高エネルギー密度結晶コンデンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の実施形態によると、平行板の間に配置されたバルク単結晶誘電体素材、若しくは単結晶膜誘電体素材を有する平行板コンデンサが提供され、また１若しくはそれ以上の単結晶誘電体、若しくは単結晶フィルム誘電体を有し、当該誘電体の各々が２つの電極間に配置されたコンデンサが提供される。これらのコンデンサを組み込んだエネルギー蓄積装置もまた開示される。
【選択図】 図５Ａ〜５Ｅ
【選択図】 図５Ａ〜５Ｅ
Description
本出願は２００５年７月１２日付で出願された米国仮出願第６０／６９７，９９４号に対して利益を主張するものである。
本発明はエネルギー蓄積装置に関し、より具体的には、コンデンサに関するものである。
パルス電力システムおよび他のシステムに用いられる従来のエネルギー蓄積装置は、大型の逆回転型フライホイールと、電池と、従来の高電圧コンデンサバンクとを有する。これらおよびその他の従来のエネルギー蓄積装置は、大型で、且つ非常に重いという欠点がある。それゆえに従来の電荷蓄積装置は、当該電荷蓄積装置が使用されたシステムの移動性を制限する。
従って当該技術分野において、従来のエネルギー蓄積装置の前記欠点を克服し、重量当たりのエネルギー蓄積能力を向上するエネルギー蓄積装置が要望されていた。
本発明の実施形態によれば、小型且つ軽量であるにも関わらず、充分なエネルギーを蓄積することが可能なエネルギー蓄積装置および材料が提供され、例えばそれらの装置は、パルス電力用途や大容量の蓄積エネルギーを必要とする他の用途を含む、広い範囲の用途で使用できるものである。いくつかの実施形態によると、本発明は、従来の装置よりも小型且つ軽量であるだけではなく、従来の装置よりも著しく高いエネルギー密度を有するエネルギー蓄積装置を提供する。
１の実施形態によれば、本発明は平行板の間に配置された誘電体を有する平行板コンデンサが提供され、前記誘電体はバルク単結晶であり、例えばＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２のバルク単結晶である。他の実施形態では、前記誘電体は結晶膜であり、それは単結晶であってもよい（例、ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２若しくは類似する素材の単結晶膜）。
本発明の上記したもの、およびその他の特徴と利点とが、本発明の好適な実施形態の構成と動作とともに、添付の図面を参照しつつ以下に詳しく説明される。
図１は本発明の実施形態に従ったコンデンサ１００を図示するものである。コンデンサ１００は、第１の電極１０１と、第２の電極１０２と、第１電極１０１と第２電極１０２との間に配置された誘電体１０４と、を含む。いくつかの実施形態において、誘電体１０４はバルク単結晶であるか、または結晶膜である。いくつかの実施形態においては、前記バルク単結晶はウェハー形状である。
図２は単結晶コンデンサを製造するプロセス２００を図示するフローチャートである。プロセス２００は誘電体ボール(ｂｏｕｌｅ)が成長する工程２０２から始まる。工程２０４では、前記ボールをダイシングして、第１の面が第２の面と平行である平行ウェハーを作製する。工程２０６では前記ウェハーは研磨される。工程２０８では第１の電極（伝導体）が前記ウェハーの第１の面に適用される。工程２１０では第２の電極が前記ウェハーの第２の面に適用される。
図３ではいくつかの選ばれた市販のコンデンサのエネルギー密度と、結晶コンデンサの場合での推定値とを比較する。いずれの平行板コンデンサにおいても、エネルギー／体積の割合は、誘電率と、最大電場であるＥｍａｘの二乗との積である。この計算は推定誘電率８００、８，０００、および８０，０００（水平線；全ての場合においてＥｍａｘ＝２５０Ｖ／μｍ）と、電場強度の３倍の安全余裕率とでなされる。
このエネルギー／体積の計算では誘電体の体積のみが考慮され、電極、包装材料、およびコネクタに必要な体積は無視される。高電圧コンデンサに関しては、これらの要因によって体積が２倍または３倍に増加することがある。すなわち、非常に高い誘電率の材料を使用することによって得られる、桁違いに大きなエネルギー密度と比較すると、それらは小さな影響でしかない。３倍という慎重な安全余裕率によってもまた、コンデンサの体積の増加を説明することができる。
低電圧コンデンサに関しては、コンデンサの体積（図３からは除外）により密接に関与しているのは基板であり、この基板は、それ自体を支持するには薄すぎる誘電層を支持するために必要とされる。しかしながら、高誘電率を有する薄膜コンデンサを複数層に重ねることによって、基板が占める体積という欠点が補なわれている。
高エネルギー密度に加え、いくつかの用途においては、コンデンサ誘電体の大表面積に対応した、高い総蓄積エネルギーを有するコンデンサバンクを製造することが望ましい。バルク単結晶誘電体は筒状に巻いたり折曲すると破壊されてしまうので、本実施形態に従った大容量コンデンサは、誘電体と伝導体（電極）の層に交互に重ねられている。積層体における結晶誘電体のそれぞれの対の間の前記電極はウェハーの端部を有利に覆い、従来の電気接続によって接触がなされる。第２の電極（対極）のセットはウェハーのもう一方の端部を覆うことが好ましく、これにより第２の従来の接続によって接触がなされる。これらの特徴は図５に図示される。
図４は高エネルギー密度を有するよう設計された積層（多層）エネルギー蓄積装置５００の分解図の概略図を図示する。図４に示されているように、装置５００は多層コンデンサ５０１を含む。多層コンデンサ５０１は数々の電極層５０２（５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄおよび５０２ｅ）と、数々の誘電体層５０４（５０４ａ、５０４ｂ、５０４ｃ、および５０４ｄ）とを含む。いくつかの実施形態において、それぞれの誘電体はバルク単結晶もしくは結晶膜から成る。
図４に図示されているように、それぞれの誘電体層５０４は電極層５０２の対の間に互い違いに配置される。例えば誘電体５０４ａは、電極５０２ａと５０２ｂの間に挟まれ、それぞれの誘電体の一端は２つの電極層の間から突出している。同様にそれぞれの電極層もまた一端が突出しており、図示するような互い違いな（交互に配置された）構造が生成される。図４に更に示されているように、例示的な装置５００は２つの端子装置である。より具体的には、装置５００は端子５１０と５１１とを含む。ここで示される実施形態においては、電極５０２ａ、ｃ、ｅは端子５１０に電気接続され、電極５０２ｂ、ｄは端子５１１に電気接続される。図４に更に示されるように、装置５００は基板５９０を含むことができ、当該基板５９０上に前記多層コンデンサ５０１が配置される。
図５Ａ−Ｅは交互配置された構造を有する多層コンデンサ５０１を製造するのに好適な段階的なプロセスを図示する。該プロセスは、マスク６９０を基板５９０の上に配置することから開始され（工程１）、これにより第１の伝導体６０１ａは前記基板上へ案内され配置される。図５Ａ参照。次に（工程２）前記マスク６９０はある一定量（Δｘ）だけ第１方向に移動される。図５Ｂ参照。Δｘは矢印が示すように左への移動分として示されている。次に（工程３）、前記マスクを案内として用いて誘電体６０２ａが前記伝導体の上に配置される。この方法を使うと、前記マスクはΔｘ分だけ第１方向に移動するため、伝導体６０１ａの一部は誘電体６０２ａによって覆われない。次に（工程４）、前記マスク６９０は再び第１方向へある一定量（Δｘ）だけ移動される。図５Ｃ参照。Δｘは矢印が示すように左への移動分として示されている。次に（工程５）、前記マスクを案内として用いて伝導体６０１ｂが誘電体６０２ａ上に配置される。前記マスクは第１方向に移動したため、誘電体６０２ａの一部は伝導体６０１ａによって覆われない。次に（工程６）、前記マスク６９０は第１方向とは逆である第２方向へ、ある一定量（Δｘ）だけ移動される。図５Ｄ参照。Δｘは矢印が示すように右への移動分として示されている。次に（工程７）、前記マスクを案内として用いて誘電体６０２ｂが前記伝導体６０１ｂ上に配置される。前記マスク６９０は再び第２方向へある一定量（Δｘ）だけ移動される。図５Ｅ参照。Δｘは矢印が示すように右への移動分として示されている。次に（工程９）、このマスクによる配置を用いて伝導体６０１ｃが誘電体６０２ｂ上に配置される。本図面は２つの誘電体層を有する積層コンデンサを例示するが、例えば３、４、５、６、７かそれ以上の誘電体層から成り、当該誘電体層のそれぞれが図５Ｅの図面と類似した形で２つの伝導体の間に配置されるような代替の実施形態もまた考えられる。前記マスクの移動量であるΔｘは任意の方向の任意の適切量であってもよい。その量はそれぞれの場合で同じであるか、もしくは工程間で異なることもある。
基板５９０は任意の適切な基板であり、伝導体６０１は任意の適切な伝導体である。例えば、基板５９０は酸化物基板を含む、若しくは酸化物基板から成り（例えは、ＬａＡｌｏ３（ＬＡＯ））、伝導体６０１は、Ｌａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４（ＬＳＣＯ）（ここで、ｘ＝０．１８〜０．３０）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ４（ＬＳＣｏＯ）（ここで、ｘ＝０．５）、ＬａＮｉＯ３（ＬＮＯ）、ＳｒＲｕＯ３（ＳＲＯ）、若しくはこれらのうちの任意の組み合わせを含む、若しくはから成る。いくつかの実施形態によると、底部層若しくはバッファ層は基板５９０と伝導体６０１ａとの間に位置決めされる。この特徴は図６に図示されている。さらに、いくつかの実施形態によると、コンデンサに最後に加えられる誘電体および伝導体フィルムはより小さな面積を有し、これにより厚みのある低等価直列抵抗（ｌｏｗ−ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＥＳＲ）コンデンサ層、例えば低ＥＳＲ金膜によって両電極を並列で用いて伝導することが可能となる。この特徴もまた図６に図示される。
図６は本発明の実施形態に従ったエネルギー蓄積装置７００を図示する。装置７００は、多層コンデンサ７０１を含み、この多層コンデンサ７０１は基板５９０上に配置された伝導層７１０ａ、７１０ｂ、および７１０ｃと、誘電層７２０ａおよび７２０ｂとを有する点で装置５００に類似する。装置７００は選択的に、（ａ）コンデンサ７０１と基板５９０との間に配置されたバッファ層７０２、（ｂ）コンデンサ７０１の外側の伝導体７１０ｃ上に堆積され、コンデンサの等価直列抵抗（ＥＳＲ）を低下させるための高伝導キャップ層、（ｃ）コンデンサ７０１の外側の伝導体７１０ｂおよび７１０ｃに堆積された第２、第３の低ＥＳＲ層接触部７０４ｂおよび７０４ｃという特徴を含むこともある。前記低ＥＳＲ層は金、銀、銅またはその他任意の高伝導性の金属を含む、若しくはから成ってもよい。図６は薄膜ヒューズ７０５も示し、この薄膜ヒューズ７０５は前記装置７００の一部を選択的に形成する。前記ヒューズは、前記電極層と同量の電流を流すと過熱および蒸発する伝導性フィルムを含む、若しくはから成る。低ＥＳＲ層接触部７０４ｃは伝導体７１０ｃと薄膜ヒューズ７０５および低ＥＳＲキャップ７０４ａを介して接している。
図７は本発明の実施形態に従ったエネルギー蓄積装置８００を図示する。エネルギー蓄積装置８００はエネルギー蓄積装置５００及び７００と類似する。ただしエネルギー蓄積装置８００は基板５９０のそれぞれ反対面に、伝導体および誘電体の２つの積層を含む。前記積層の一方は、伝導体８１１と、８１２と、８１３と、誘電体８２１と、８２２とを基板５９０の一方の面上に有し、伝導体８１１ａと、８１２ａと、８１３ａと、誘電体８２１ａと、８２２ａとを前記基板５９０のもう一方の面上に有する。図７は２つの薄膜フィルム８０５および８０５ａが、基板５９０のいずれかの面に１つずつある実施形態を図示する。
図８Ａ−８Ｃは本発明のもう１つの実施形態に従ったエネルギー蓄積装置９００を図示する。この実施形態では、縞ＡおよびＢとして模様化され、低伝導性多層電極と並列で作用し、それによって前記コンデンサの等価直列抵抗（ＥＳＲ）を軽減する高導電性電極層の効果が最大に引き出される。このように、埋設電極層は高導電性以外の特性のために最適化され、一方、上層部は高導電性のために最適化される。特に埋設電極層は、結晶配向の成長、若しくは誘電体層の単結晶成長の鋳型を提供するために最適化される。
エネルギー蓄積装置９００は装置７００と類似しているが、一連のコンデンサを有する。エネルギー蓄積装置９００は、一連の積層伝導体層９１１ａ、９１１ｂ、９１２ａ、９１２ｂ、９１３ａ、９１３ｂ、９１４ａ、９１４ｂ、９１５ａ、および９１５ｂと、誘電体層９２１ａ、９２１ｂ、９２１ｃ、９２２ａ、９２２ｂ、９２２ｃ、９２３ａ、９２３ｂ、９２３ｃ、９２４ａ、９２４ｂ、９２４ｃ、９２５ａ、９２５ｂ、および９２５ｃとから構成されている。前記伝導体層は、図８Ａに示されているように、一方の側において１つおきの伝導体層が１つのコンデンサ積層体からその近隣へと継続し、同時にもう一方の側において残りの伝導体層が同じような要領でそれらの近隣へと継続するように、前記基板上に有利に構成され重ねられる。従って多数の並列コンデンサが作成される。
形状的に有利にするために、前記高伝導性上層電極ｄｘの縞の幅は、長さｄｚのおよそ１０倍であるべきである。図８Ｃ参照。前記有利な点としては、低伝導性埋設電極ではｘ方向に流れる電流が、高伝導性上層電極においてはｚ方向に進む距離の、何分の１かのわずかな距離しか進まないということである。従って、典型的な１ｃｍ×１ｃｍ平方のコンデンサチップでは、ｄｘは約１ｍｍで、一方ｄｚは１０ｍｍである。前記高伝導性層において、経路長がより長くなればなるほど直列抵抗が加わるが、この経路長は等価直列抵抗（ＥＳＲ）の実質的低減のため、低伝導性層の抵抗の概算低減値によって十分に補われる。
図８Ｂは上記コンデンサ装置９００の上面図を図示する。低等価直列抵抗（Ｌｏｗ−ＥＳＲ）素材９０４ａおよび９０４ｂは前記コンデンサ上を覆い、各多層コンデンサ積層体の中心またはその付近に間隙９０４ｃが存在する。図示されたように、素材９０４ａは電流バス９３１と接触し、一方素材９０４ｂは第２の電流バス９３２と接触する。濃い水平線は、前記図面の縦軸の途切れを示すことを意図するものである。高伝導性素材の前記縞ＡおよびＢは、実際には更に長く、例えば縦のｚ方向では横のｘ方向よりも１０倍長い。
低ＥＳＲ素材９０４は前記コンデンサの各多層コンデンサ積層体上を、半分の９０４ａおよび９０４ｂが互い違いに連続するように覆い（それぞれの互い違いの部分は同じ電流バスと接触している）、それらの間に間隙９０４ｃを有する。低ＥＳＲ素材９０４ａおよび９０４ｂは、隣接した多層コンデンサ積層体の間の領域を覆うように構成され、一方それぞれの多層コンデンサ積層体の中心かその付近に前記低ＥＳＲ素材によって覆われていない間隙９０４ｃを残す。この低ＥＳＲ素材は、厚みのある（約１μｍから約１０μｍの厚さの）金、銀、銅若しくは他の高伝導性金属から成る層であることが好ましい。
このタイプのコンデンサでは、一対の並列コンデンサを等面積の単一コンデンサに取り替えることができる。例えば１平方ユニットのコンデンサは、図９Ａおよび９Ｂに図示される実施形態に従ったコンデンサに取り替えることができ、それぞれ０．１平方ユニットの１０つの並列コンデンサから成るものである。厚い金の層をコンデンサ多層積層体上に、２つの互い違いに配置された連続的な半分として付加することにより、上部コンデンサの放電速度が向上する。１つの大型コンデンサよりもむしろ複数の小型コンデンサを使用するほうが、前記金バスラインに直列抵抗が加わることになる一方、この配列は全体としての放電を加速する。それはなぜなら各伝導体層は、直列での平方あたりの抵抗がより少ないからである（１０：１の例の２０分の１平方を図８Ａに示す）。１０：１の割合がいくつかの実施形態において好まれるが、当業者であれば、例えば５：１、８：１、１２：１、１５：１若しくは他の割合が使用でき、且つ本発明の意図する範囲内に入ることを認識するものである。前記厚めの低ＥＳＲ重層と伴に本実施形態に従った電荷蓄積装置の幾何学的配列により、ＥＳＲｐに伴う問題を軽減する装置が提供される。
図８Ｃは本発明に係るチップ全体の更なる１実施形態を図８Ｂと同じく上面図で図示する。本実施形態においては、前記エネルギー蓄積装置９００は１０のセクションに区分けされたコンデンサーチップである。エネルギー蓄積装置９００は図８Ａおよび８Ｂの図で例示されているエネルギー蓄積装置の特定の１実施形態である。低ＥＳＲ素材９０４ａおよび９０４ｂは１０の隣接するコンデンサ積層体上に図８Ａに示されたように互い違いに重ねられる。本実施形態では、前記コンデンサ積層体（ｄｚ）の長さはそれぞれのコンデンサの幅（ｄｘ）の１０倍と等しい。図示されたように、低ＥＳＲ素材９０４ａは電流バス９３１と接触し、一方素材９０４ｂは第２の電流バス９３２と接触する。矢印９５０−９５３は前記装置内を流れる電流の方向を示す。
ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２（ＣＣＴＯ）およびその変異体は、薄膜およびバルク結晶コンデンサのための誘電体素材として使用するために好い素材である。ＣＣＴＯは非常に高い誘電率および比較的低い損失正接を示す。前記誘電率は温度が２５０ケルビン以上で、周波数が１ＭＨｚまでの場合で約８０，０００であり、一方前記損失正接は室温で周波数が１ＭＨｚよりも少ない場合で約０．１である。これらの性質によってＣＣＴＯは本発明の実施形態に従った単結晶誘電体を有するコンデンサのための理想的な素材となる。
ＣＣＴＯは単結晶誘電体素材の良い候補ではあるが、ペロブスカイト関連結晶構造に類似し、且つ化学組成が類似する他の素材も、同様若しくはそれ以上に効果がある。ＣＣＴＯ中のごく少量のカルシウム、銅、若しくはチタンを、類似する１若しくはそれ以上のイオンと置き換えると、同等か若しくは向上された機能を有する素材となる。例えば、バルクセラミックにおいて、ＣＣＴＯ中の約２０％まで若しくはそれ以上のカルシウムイオンをストロンチウムと置き換えることができる。この特有の置換および関連の化学的置換は（例えば、カルシウムのナトリウムおよび／または希土類元素への置換）、本発明に包含される。同様の変形ペロブスカイト結晶構造を有するＣＣＴＯの任意の高誘電率の変異体は、結晶コンデンサに使用することができる。チタンは少なくとも部分的に、タンタル、ニオブ、アンチモン、若しくはそれらの混合物と置き換えることができる。
多結晶ＣＣＴＯセラミック板および薄膜もまた、本発明に従った実施形態における誘電体素材として使用してもよい。これらの素材は上述したバルク単結晶コンデンサのより低価格でより低性能な代替である。
多結晶ＣＣＴＯ薄膜フィルムの誘電率は、温度が約２５０ケルビンより高く、周波数が１ＭＨｚまでの場合でおよそ１５００である。バルク多結晶ＣＣＴＯセラミックは５，０００から５０，０００の誘電率を示し、これらは対応する膜の誘電率よりもやや高いが、単結晶の場合よりもひと桁分程低い。
これらのより低性能な代替素材を使用しているコンデンサのエネルギー密度および誘電体厚を推定した。この情報は下記の表Ｉに含まれる。前記エネルギー密度は誘電率と、最大電場であるＥｍａｘの二乗との積である。電場強度の３倍の安全余裕率がこれらの計算では使用される。誘電体厚は動作電圧と、電場強度と、安全余裕率とから計算される。エネルギー密度はＣＣＴＯ結晶に特有の入力値において最大である。
本明細書に記載された前記誘電体およびコンデンサは、パルス電力用途およびシステムにて使用してもよい。パルス電力システムの例としては指向性エネルギー兵器を含む（例えば、レールガン、自由電子レーザー、およびその他の指向性エネルギー兵器）。図９は一般的にはラゴーンプロット（Ｒａｇｏｎｅ ｐｌｏｔ）と称される、数々のエネルギー蓄積技術の特定電力対特定エネルギーを示すグラフである。前記ラゴーンプロットは、コンデンサは電池若しくは、ここでいう内燃エンジンよりも更に速く電力を供給できるという、周知の事実を図示する。コンデンサの時定数が小さいことは、電力を負荷に供給する高速放電のためには重要であり、また、高速に再充電してパルス間の時間を低減するために指向性エネルギー兵器のような用途のおいても同じく重要である。本明細書において開示される前記結晶コンデンサは、充電もしくは放電時間という点において他の（市販の）コンデンサと類似する。従ってこれらのコンデンサは電池よりも更に速い。しかしながら、市販のコンデンサと比較すると、前記結晶コンデンサの高エネルギー密度により、パルス電力システムのために使用されるコンデンサバンクの重量および体積は著しく軽減される。その結果同等サイズおよび／または重量のコンデンサバンクによって、前記システムにより多くの電力を提供することができる。
また、本明細書に記載される前記誘電体およびコンデンサは、通常電池が使われるようなシステムにおいても使用される。表ＩＩはＣＣＴＯ結晶コンデンサと他のコンデンサ、およびいくつかの従来の電池を比較するデータを表す。ＣＣＴＯ結晶コンデンサにおける前記エネルギー密度は電池のエネルギー密度よりも大きく、従来のコンデンサのエネルギー密度よりも約３桁分高いと推定される。通常コンデンサは電池よりもわずかに大きな質量密度を有するが、本発明の実施形態に従ったＣＣＴＯ結晶コンデンサのエネルギー／重量は、依然として幅広い選択肢の電池技術に匹敵する。以下、表ＩＩ参照。表ＩＩ中のＣＣＴＯ結晶コンデンサのデータは推定値であり、一方他のデータは、典型的な公表値を示す。
要約すると本発明の実施形態は、誘電体を有する優れた電荷密度のコンデンサを含み、前記誘電体は多層薄膜、またはＣＣＴＯかＣＣＴＯの派生物のいずれかの単結晶であり、それらの１若しくはそれ以上の素材中のイオン（例えばカルシウム、銅、チタン若しくはその組合せ）の部分は、他のイオンと置き換えることができる。前記コンデンサで使われるのに望ましい形状の単結晶としての前記誘電体を製造する代替の方法として、本発明に従った誘電体は、誘電体素材のボールを成長させ、前記ボールを適当な形状の平行板ウェハーに切削し、前記ウェハーを研磨することによっても製造することができる。さらに、本発明のいくつかの実施形態は誘電体がセラミックテープ、若しくはフィルムであるコンデンサに関連するものである。これらのコンデンサはパルス電力用途、電気自動車、若しくは、例えば通例では電池が使用されるようなエネルギー蓄積用途に有利に使用することができる。
上記と以下の実施例に様々な本願発明の実施形態／変形形態を説明してきたが、それらは例示的な目的のみに提供されたものと理解されるべきであり、限定として理解されるべきではない。従って、本発明の範囲は上記例示的実施形態によって限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物に従ってのみ定義されるべきものである。更に上記および前記図面で示された前記プロセスは一連の工程として示されているが、これは図示する目的のためだけになされたものである。それ故に、いくつかの工程が付加され、他の工程は省略され、工程の順が再編成される可能性があることが考えられる。
実施例
実施例１．ＣＣＴＯサンプル及びＣＣＴＯに基づくコンデンサの製造
エピタキシャル薄膜ＣＣＴＯ結晶を使用してコンデンサを製造し、前記結晶の特性を測定した。厚さ約０．２μｍのＬａ−Ｓｒ−Ｃｕ−ＯまたはＬａ−Ｓｒ−Ｃｏ−Ｏのいずれかのエピタキシャル薄膜電極を単結晶アルミン酸ランタン基板上に、パルスレーザーアブレーション法かスパッタリングのいずれかによって堆積させた。厚さ０．１〜０．２μｍのＣＣＴＯ誘電体膜を、事前被覆された基板、若しくはニオブがドープされたチタン酸ストロンチウム単結晶上に、パルスレーザーアブレーション法かスパッタリングのいずれかによって堆積させた。Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏか金のいずれかの上層電極を堆積させ、さらに模様化して平行板コンデンサ構造を完成させた。これらのコンデンサの誘電体特性は、最大電場強度Ｅｍａｘ２５０Ｖ／μｍまで安定していた。
実施例１．ＣＣＴＯサンプル及びＣＣＴＯに基づくコンデンサの製造
エピタキシャル薄膜ＣＣＴＯ結晶を使用してコンデンサを製造し、前記結晶の特性を測定した。厚さ約０．２μｍのＬａ−Ｓｒ−Ｃｕ−ＯまたはＬａ−Ｓｒ−Ｃｏ−Ｏのいずれかのエピタキシャル薄膜電極を単結晶アルミン酸ランタン基板上に、パルスレーザーアブレーション法かスパッタリングのいずれかによって堆積させた。厚さ０．１〜０．２μｍのＣＣＴＯ誘電体膜を、事前被覆された基板、若しくはニオブがドープされたチタン酸ストロンチウム単結晶上に、パルスレーザーアブレーション法かスパッタリングのいずれかによって堆積させた。Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏか金のいずれかの上層電極を堆積させ、さらに模様化して平行板コンデンサ構造を完成させた。これらのコンデンサの誘電体特性は、最大電場強度Ｅｍａｘ２５０Ｖ／μｍまで安定していた。
また、コンデンサはＣＣＴＯのバルク多結晶セラミック試料でも製造した。これらの試料は、酸化銅、酸化チタン、炭酸カルシウムの出発粉末から製造した。焼成のあと、前記粉末は厚さ１ｍｍのペレットへと押圧し、温度１１００℃まで焼結した。銀電極を使用して平行板コンデンサ構造を完成した。室温で１ｋＨｚでの誘電率は５０，０００程の大きさであった。
添付の図面は、本明細書に組み込まれることにより本明細書の一部を形成し、本発明の様々な実施形態を図示するのを助ける。さらに、添付の図面は、本明細書の記載とともに本発明の原理を説明し、当業者が本発明の実施形態を達成、且つ使用できるようにすることを目的とする。前記図面において、同じ参照番号は、同一若しくは機能的に類似した要素を示す。
図１は本発明の実施形態に従ったコンデンサ１００を図示する。
図２は単結晶コンデンサを製造するためのプロセス２００を図示しているフローチャートである。
図３は市販のコンデンサと推定誘電率８００、８，０００および８０，０００の結晶コンデンサ（全ての場合においてＥｍａｘ＝２５０Ｖ／μｍ）のエネルギー密度の比較を示す。
図４は高エネルギー密度を有するよう設計されたエネルギー蓄積装置５００の分解図の概略図を図示する。
図５Ａ−５Ｅは、本発明の実施形態に従った多層コンデンサを製造するプロセスを図示する概略断面図である。
図５Ａ−５Ｅは、本発明の実施形態に従った多層コンデンサを製造するプロセスを図示する概略断面図である。
図５Ａ−５Ｅは、本発明の実施形態に従った多層コンデンサを製造するプロセスを図示する概略断面図である。
図５Ａ−５Ｅは、本発明の実施形態に従った多層コンデンサを製造する過程を図示する概略断面図である。
図５Ａ−５Ｅは、本発明の実施形態に従った多層コンデンサを製造する過程を図示する概略断面図である。
図６は本発明の実施形態に従ったエネルギー蓄積装置の断面図である。
図７は本発明の実施形態に従ったエネルギー蓄積装置の断面図である。
図８Ａは本発明の実施形態に従ったエネルギー蓄積装置の縦断面図である。図８Ｂは図８Ａに図示された実施形態の上面図である。図８Ｃは本発明の実施形態に従ったエネルギー蓄積装置の上面図である。
図８Ａは本発明の実施形態に従ったエネルギー蓄積装置の縦断面図である。図８Ｂは図８Ａに図示された実施形態の上面図である。図８Ｃは本発明の実施形態従ったエネルギー蓄積装置の上面図である。
図８Ａは本発明の実施形態に従ったエネルギー蓄積装置の縦断面図である。図８Ｂは図８Ａに図示された実施形態の上面図である。図８Ｃは本発明の実施形態によるエネルギー蓄積装置の上面図である。
図９はいくつかのエネルギー蓄積装置について、単位質量あたりの電力対単位質量あたりのエネルギーを示すグラフである。
Claims (27)
- 平行板コンデンサであって、バルク単結晶誘電体または単結晶膜誘電体を有する平行板コンデンサ。
- コンデンサであって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、且つ当該第１の電極および当該第２の電極に接触するバルク単結晶誘電体または単結晶膜誘電体と
を有するコンデンサ。 - コンデンサであって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、且つ当該第１の電極および当該第２の電極に接触するセラミックテープと
を有するコンデンサ。 - 請求項１記載のコンデンサにおいて、前記誘電体は本質的にＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２（ＣＣＴＯ）から成るものである。
- 請求項１記載のコンデンサにおいて、前記誘電体は本質的にＣａ１−ｘＳｒｘＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２から成るものであり、ｘは０以上および０以下である。
- 請求項５記載のコンデンサにおいて、ｘは０以上および０．２以下である。
- 請求項５記載のコンデンサにおいて、ｘは０以上および０．１以下である。
- 請求項１記載のコンデンサにおいて、前記誘電体はペロブスカイト構造を有するものである。
- エネルギー蓄積装置であって、請求項１記載の１若しくはそれ以上のコンデンサを有するエネルギー蓄積装置。
- パルス電力システムであって、請求項１記載のコンデンサを有するパルス電力システム。
- エネルギー蓄積装置を有する電気自動車であって、前記エネルギー蓄積装置は請求項１記載のコンデンサを有するものである、電気自動車。
- 請求項３記載のコンデンサにおいて、前記セラミックは多結晶セラミックである。
- 少なくとも１つの交互配置された多層構造の薄膜誘電体と、電極層とを有するコンデンサエネルギー蓄積装置であって、前記誘電体層の各々は、２つの電極層の間に位置決めされており、その一端が前記電極層の間から突出しているものである、コンデンサエネルギー蓄積装置。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、前記薄膜誘電体層は単結晶である。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、前記誘電体はＣＣＴＯである。
- 請求項１５記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、前記ＣＣＴＯは多結晶薄膜である。
- 請求項１５記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、前記ＣＣＴＯは単結晶である。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、前記コンデンサはＬａ２−ｘＳｒｘＣｕＯ４およびＬａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ４から成る群から選択されるものである。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、このコンデンサエネルギー蓄積装置は、さらに、
少なくとも２つの対向面を有する基板層を有し、前記交互配置された多層構造は当該層の一方の面に位置決めされるものである。 - 請求項１９記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、前記基板はＬａＡｌＯ３である。
- 請求項１９記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、前記交互配置された多層構造は前記基板層の一方の面に位置決めされるものであり、第２の交互配置された多層構造は前記基板層のもう一方の面に位置決めされるものである。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、このコンデンサエネルギー蓄積装置は、さらに、ヒューズを有するものである。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、このコンデンサエネルギー蓄積装置は、さらに、
前記交互配置された多層構造の上に配置されたにキャップ層を有し、前記キャップ層は高伝導性金属である。 - 請求項２３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、前記高伝導性金属は、金、銀、および銅から成る群から選択されるものである。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、少なくとも２つの前記交互配置された多層構造の薄膜誘電体および電極層は平行に配置されるものである。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー蓄積装置において、このコンデンサエネルギー蓄積装置はマスクを使って製造されるものである。
- 請求項１３記載のコンデンサエネルギー装置を製造する方法であって、マスクを使用する工程を有する方法。
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