JP2015046553A - 誘電体フィルムおよびフィルムコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】金属膜との密着性の高い誘電体フィルムと、それを用いたフィルムコンデンサを提供する。【解決手段】誘電体フィルム１は、有機樹脂シート３の表面に、金属酸化物５ａを含む扁平状の膜５が島状に点在している構成を有している。この表面に金属膜を形成したときには、誘電体フィルム１の厚みが薄くても、金属膜との密着力の高いものを得ることができる。また、誘電体フィルム１の滑り性も向上するため巻回型のフィルムコンデンサに好適なものとなる。【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体フィルムおよびフィルムコンデンサに関する。

フィルムコンデンサは、例えば、ポリプロピレン樹脂をフィルム化した誘電体フィルムの表面に蒸着によって形成された金属膜を電極として有している。このような構成により、誘電体フィルムの絶縁欠陥部で短絡が生じた場合にも、短絡のエネルギーで欠陥部周辺の金属膜が蒸発、飛散して絶縁化し、フィルムコンデンサの絶縁破壊を防止できるという利点を有している（例えば、特許文献１を参照）。

このため、フィルムコンデンサは電気回路が短絡した際の発火や感電を防止することができるという点が注目され、近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明等の電源回路への適用を始め、用途が拡大しつつある（例えば、特許文献２を参照）。

また、フィルムコンデンサについても、他の電子部品と同様、小型化の要求がますます高まってきており、誘電体フィルムを薄層化する試みが行われている。ところが、誘電体フィルムを薄層化すると、誘電体フィルムの表面の凹凸が小さくなり、より平滑になってくるために、誘電体フィルムの表面に電極層として形成される金属膜との密着性が低下してしまうという問題がある。

特開平９−１２９４７５号公報 特開２０１０−１７８５７１号公報

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、金属膜との密着性の高い誘電体フィルムと、それを用いたフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

本発明の誘電体フィルムは、有機樹脂シートの表面に、金属酸化物を含む扁平状の膜が島状に点在していることを特徴とする。

本発明のフィルムコンデンサは、上記誘電体フィルムの表面に導体層を有していることを特徴とする。

本発明によれば、金属膜との密着性の高い誘電体フィルムと、それを用いたフィルムコンデンサを得ることができる。

（ａ）は、本発明の誘電体フィルムの一実施形態を部分的に示す外観斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の誘電体フィルムの他の態様を示すもので、金属酸化物を含む扁平状の膜が有機樹脂シートの表面と略面一であることを示す断面模式図である。 （ａ）は、誘電体フィルムの両面に電極層を有する構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、本発明のフィルムコンデンサの一実施形態を示す外観斜視図である。

図１（ａ）は、本発明の誘電体フィルムの一実施形態を部分的に示す外観斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

本実施形態の誘電体フィルム１は、有機樹脂シート３の表面に、金属酸化物５ａを含む扁平状の膜５が島状に点在している構成となっている。

本実施形態の誘電体フィルム１によれば、有機樹脂シート３の表面に、金属酸化物５ａを含む扁平状の膜５が島状に点在しているため、有機樹脂シート３と、その表面に電極層として形成される金属膜との間の密着性を高めることができる。これは金属膜と金属酸化物５ａを含む扁平状の膜５との間の密着力の方が金属膜と有機樹脂シート３との間の密着力よりも高いことによる。以下、扁平状の膜５のことを、単に膜５と言う場合がある。

この場合、膜５を構成する金属酸化物５ａは、その大部分が膜５の表面に露出しているのが良いが、金属酸化物５ａの表面に有機物等の薄い層が形成されている場合でも、その厚みが１０ｎｍ以下であれば、金属酸化物５ａが露出している状態と同等の効果を得ることができる。

金属酸化物５ａのサイズ（平均粒径）としては、金属酸化物５ａの凝集の低減や金属酸化物５ａ同士が当接したときに変形しやすくなるという理由から１０〜２５０ｎｍであることが望ましい。

また、誘電体フィルム１の表面における膜５の面積割合は、単位面積当たり、５〜７０％であることが望ましい。膜５の面積割合が単位面積当たり、５〜７０％であると、誘電体フィルム１の金属膜との密着性を高めることができるとともに、膜５の無い領域が存在するために有機樹脂シート３の剛性を低く維持することができ、例えば、巻回型のフィルムコンデンサに好適なものとなる。

また、膜５の面積に占める金属酸化物５ａの割合（面積割合）は７０〜９５％であることが望ましい。膜５の面積に占める金属酸化物５ａの割合（面積割合）が７０〜９５％であると、金属膜の接着しやすい金属酸化物５ａの割合が高まるため、誘電体フィルム１に対する金属膜の密着強度をさらに高めることができる。なお、この場合にも、膜５中には有機樹脂が含まれていることから、膜５自体が変形しやすいものとなり、これにより誘電体フィルム１を巻回型に適用するようにした場合に、例えば、曲率半径のより小さいフィルムコンデンサを実現することが可能になる。このとき、有機樹脂シート３の表面における膜５の間隔（最近接間距離）は、金属膜の有機樹脂シート３と接触する領域をより狭くすることができ、剥離を低減できるという理由から０．１〜５μｍであることが望ましい。なお、実用上の範囲で誘電体フィルム１の変形能を維持できるのであれば、膜５は、隣の膜５との間で一部が連結した状態となっていてもよい。この場合には、有機樹脂シート３と金属膜とが一部でも連続した接着部分を有するようになることから、有機樹脂シート３と金属膜との間の接着力をさらに高めることができる。

また、本実施形態の誘電体フィルムでは、膜５は、有機樹脂シート３の他方の表面よりも一方の表面に主として形成されていることが望ましい。膜５が有機樹脂シート３の両面のうち一方の表面に主として形成されていると、膜５の占める面積割合の高い方の表面側に金属膜を形成し、巻回させたときに、膜５に接着した面とは反対側の金属膜の表面が膜５の無い有機樹脂シート３に接触する側となるため、金属膜と有機樹脂シート３の膜５の
占める面積割合の低い表面側との間で滑り性が維持され、これにより誘電体フィルム１を多層に巻回しても金属膜と有機樹脂シート３との接触に起因した拘束によって発生する応力を小さくすることが可能となる。その結果、誘電体フィルム１をフィルムコンデンサに適用し、誘電体フィルム１に電圧を印加した際に、誘電体フィルム１の膨張によって起こるクラックなどの欠陥の発生を抑制することが可能になる。ここで、膜５が有機樹脂シート３の他方の表面よりも一方の表面に主として形成されているとは、誘電体フィルム１の両面に見られる膜５の面積割合を比較したときに、膜５の面積割合の低い方を１としたときに、膜５の面積割合の高い方の面積割合が５以上となっているものをいう。

なお、膜５が有機樹脂シート３の他方の表面よりも一方の表面に主として形成されている２枚の誘電体フィルム１を用いて、膜５の面積割合の低い方の表面側を貼り合わせたものにすると、誘電体フィルム１の両主面に金属膜との密着強度の高い面を露出させることが可能となる。このような構造を有する誘電体フィルム１の場合には、誘電体フィルム１の両面に金属膜との接着力の高い面を形成できるため、金属膜と誘電体フィルム１とが交互に積層されて形成される積層型のフィルムコンデンサに好適なものとなる。

図２は、本発明の誘電体フィルムの他の態様を示すもので、金属酸化物５ａを含む扁平状の膜５が有機樹脂シート３の表面と略面一であることを示す断面模式図である。

また、本実施形態の誘電体フィルム１では、膜５の表面は、有機樹脂シート３の表面と略面一であることが望ましい。膜５の表面が有機樹脂シート３の表面と略面一であると、膜５が略面一でない場合に生じる膜５のエッジ近傍での段差を起点とした剥離が発生し難くなるため、有機樹脂シート３と金属膜との間の密着強度をさらに高めることができる。この場合、膜５が有機樹脂シート３の表面と略面一であるとは、膜５と有機樹脂シート３との間に数ｎｍ程度の段差を有する場合も含む意味である。

有機樹脂シート３の表面に形成されている膜５を構成する金属酸化物５ａは、その一部が露出しているものでも良い。有機樹脂シート３の表面付近に形成された金属酸化物５ａのうち、一部だけ露出し、他の部分は有機樹脂シート３に埋まっている状態であると、膜５の有機樹脂シート３からの欠落を防止することができる。

上記した構成を有する誘電体フィルム１としては、その平均厚みが３μｍ、特には、２μｍといった薄層化したものに好適であり、また、有機樹脂シート３の表面粗さ（Ｒａ）についても５０ｎｍ以下、特に、１０ｎｍ以下と平滑な表面を有するものに適している。

ここで、本実施形態の誘電体フィルム１を構成する金属酸化物５ａとしては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、および酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種が好ましい。これらの金属酸化物５ａは有機樹脂シート３に比較して比誘電率が高いことから、得られる誘電体フィルム１についても高誘電率化を図ることが可能となる。

この場合、有機樹脂シート３の表面に形成されている金属酸化物５ａは、面の中央部と周縁部、あるいは膜５の厚み方向である表面側と有機樹脂シート３側とで有機樹脂の割合が異なっており、中央部から周縁部側へ、あるいは膜５の厚み方向の有機樹脂シート３側へ向かうにつれて、金属酸化物５ａに含まれる有機樹脂の割合が多くなっていることが望ましい。中央部から周縁部へ向かうにつれて、金属酸化物５ａに含まれる有機樹脂の割合が多くなっていると、金属酸化物５ａが有機樹脂シート３中に結合したような状態となり、金属酸化物５ａが、例えば、セラミック粒子のように有機樹脂シート３中に明確な界面を介して存在する場合に比較して、有機樹脂シート３に対する金属酸化物５ａの接着強度を高めることができる。

有機樹脂シート３の表面に露出した金属酸化物５ａの状態の確認は、例えば、フィルムコンデンサの誘電体フィルム１から化学的方法あるいは物理的方法によって電極層を除いた後の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの分析装置を用いて行う。

図３は、（ａ）は、誘電体フィルムの両面に電極層（金属膜）を有する構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、本発明のフィルムコンデンサの一実施形態を示す外観斜視図である。

上述した誘電体フィルム１を具備する本実施形態のフィルムコンデンサは、誘電体フィルム１の両面に電極層１１を備えている構成を基本構造とする本体部１３により構成されている。この本体部１３は、矩形状の誘電体フィルム１と電極層１１とが交互に積層された積層型のフィルムコンデンサの他に、長尺状の誘電体フィルム１と電極層１１とが巻回された構造の巻回型のフィルムコンデンサにも適用することができる。本実施形態の誘電体フィルム１の場合、滑り性も向上するため巻回型のコンデンサに好適なものとなる。これらのフィルムコンデンサは外部電極１４に端子としてさらにリード線１５を有していても良いが、フィルムコンデンサの小型化という点でリード線１５を有しない構造が望ましい。また、コンデンサ本体１３、外部電極１４およびリード線１５の一部は絶縁性および耐環境の点から外装部材１６に覆われていてもよい。

次に、本実施形態のフィルムコンデンサは、例えば、以下に示すような製造方法によって得ることができる。まず、誘電体フィルム１の母材となる有機樹脂を用意する。

有機樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）およびシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、などが好適である。

これらの有機樹脂の室温（約２５℃）における比誘電率（ε）は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が３．３、ポリプロピレン（ＰＰ）が２．３、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が３．０、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）が２．２〜３．０である。

また、これらの有機樹脂の室温（約２５℃）における破壊電界強度（Ｅ）は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が３１０（Ｖ／μｍ）、ポリプロピレン（ＰＰ）が３８０（Ｖ／μｍ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が２１０（Ｖ／μｍ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）が３７０〜５１０（Ｖ／μｍ）である。

金属酸化物５ａとなる原料組成物としては、テトラ−ｉ−プロポキシチタン、テトラ−ｎ−ブトキシチタン、テトラ−ｎ−ブトキシジルコニウム、トリ−ｉ−プロポキシアルミニウム、およびトリ−ｎ−ブトキシアルミニウムから選ばれる少なくとも１種の金属アルコキシド化合物を適用できる。

誘電体フィルム１を形成する場合、例えば、基材としてＰＥＴ製のフィルムを適用し、この表面に、溶液キャスト法などの成形法を適用して、金属酸化物５ａを含む扁平状の膜５を有する有機樹脂シート３を形成することにより、誘電体フィルム１を得ることができる。

誘電体フィルム１用のスラリは、有機樹脂を溶剤に溶解させて調製した樹脂スラリに、金属アルコキシドまたは溶剤で希釈した金属アルコキシド溶液（以下、金属アルコキシドおよび溶剤で希釈した金属アルコキシド溶液を単にアルコキシドという場合がある）を混合することによって調製する。

この場合、有機樹脂、溶剤およびアルコキシドの特定濃度の組み合わせにより、誘電体フィルム１を形成するときに、アルコキシド中に含まれている金属成分が加水分解反応によって有機樹脂中において特定の数密度で核生成する。一方、有機樹脂中に取り込まれなかった過剰のアルコキシドは有機樹脂シート３の表面に移動し、そこで加水分解反応が進むため、有機樹脂シート３の表面に扁平状の膜５が島状に形成されることになる。

なお、膜５を誘電体フィルム１の一方の表面だけに形成する場合には、フィルムを溶液キャスト法にて、基材上に有限な湿度（４０〜７０％ＲＨ）を持つ大気雰囲気にて形成すればよい。

成膜には、ドクターブレード法、ダイコータ法およびナイフコータ法等から選ばれる一種の成形法を用いる。なお、金属酸化物５ａを含む扁平状の膜５を形成するための条件としては、スラリ中における金属成分の濃度、樹脂に対する金属アルコキシドの濃度、成膜時の温度、等を適宜規定する。

成膜に使用する溶剤としては、例えば、メタノール、イソプロパノール、n-ブタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノプロピルエーテル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、キシレン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジメチルアセトアミド、シクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、又は、これらから選択された２種以上の混合物を含んだ有機溶剤を用いるのがよい。

次に、誘電体フィルム１の表面にＡｌ（アルミニウム）などの金属成分を蒸着することによって電極層１１を形成し、次いで、電極層１１を形成した誘電体フィルム１０を巻回させてフィルムコンデンサの本体部１３を得る。

次に、本体部１３の電極層１１が露出した端面に外部電極１４を形成する。外部電極１４の形成には、例えば、金属の溶射、スパッタ法、メッキ法などが好適である。また、ここで、外部電極１４にリード線１５を形成しても良い。次いで、外部電極１４（リード線１５を含む）を形成した本体部１３の表面に外装樹脂１６を形成することによって本実施形態のフィルムコンデンサを得ることができる。

具体的な材料の選択を行って誘電体フィルムを作製し、以下の評価を行った。

まず、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌのうちのいずれかの金属元素を含む金属アルコキシド化合物（日本曹達社製、有機チタンＡ−１）と、樹脂としてシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ；分子量：Ｍｗ＝２００００）を準備した。

次に、シクロヘキサンに溶解した上記の金属アルコキシド化合物を、シクロヘキサンを溶剤とするシクロオレフィンポリマー溶液中に混合分散させて透明で黄色の塗布溶液を調製した。

この後、相対湿度を５５％±５％とした条件で、コーターにより、上記スラリをポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上に塗布することによって誘電体フィルムを作製した。作製した誘電体フィルムでは、金属酸化物を含む扁平状の膜は有機樹脂シートの一方の面に主として形成されていた。また、作製した誘電体フィルムは、その表面における膜の面積割合は１１〜５６％（金属アルコキシドが１０質量％の試料は１１％、２０質量％の試料は５０〜５６％）であった。また、膜に占める金属酸化物の割合（面積割合）
は７０〜９０％（金属アルコキシドが１０質量％の試料は９０％、２０質量％の試料は７０〜７８％）の範囲であった。

作製した誘電体フィルムは、１８０℃で脱溶剤を行った後の平均厚みが２．５μｍであった。

次に、真空蒸着法により誘電体フィルムの両面に平均厚みが７５ｎｍのＡｌの電極層を形成した。

膜の平均厚みは作製した誘電体フィルムの一部を切り取り、１０等分した領域を測定した平均値より求めた。

金属膜の密着強度は、クロスカット法（ＪＩＳＫ５６００−５−６）を用いて評価した。カッターを用いて金属膜の表面に２ｍｍ間隔で６本切り込みを入れ、９０°方向を変えて直行する６本の切込みをさらに入れ、格子状とした。７５ｍｍの長さに切り出したセロハンテープを金属膜の格子にカットした部分に貼り、強く圧着させ、その後、テープの端を約６０°の角度で一気に引き剥がした。金属膜の剥離状態をＪＩＳＫ５６００−５−６の０〜５段階の評価方法で評価した。測定試料数は１０個とした。

誘電体フィルムにおける膜の表面形態は、ＳＥＭ観察により確認した。

比較例として、平均粒子径が１００ｎｍのアルミナ粉末を含ませた誘電体フィルムを作製し、同様の評価を行った（試料Ｎｏ．５）。

表１の結果より、試料（Ｎｏ．１〜４）では、有機樹脂シートの表面に、金属酸化物を含む扁平状の膜が点在した状態となり、クロスカット法を用いて剥離処理したときの金属膜の剥がれは見られなかった（０〜１段階）。

Ｎｏ．１と同じ試料に加圧処理を行った試料は、金属酸化物を含む扁平状の膜が有機樹脂シートの表面と略面一となり、クロスカット法を用いて剥離処理したときの金属膜の剥がれの状態が０段階となり、加圧処理しなかった試料の１段階のレベルから、より剥がれにくい状態になっていた。

これに対し、アルミナ粉末を混合して作製した誘電体フィルムの試料（Ｎｏ．５）では
、誘電体フィルムの表面に試料Ｎｏ．１〜４に見られたような金属酸化物を含む扁平状の膜は形成されていなかった。このためクロスカット法を用いて剥離処理した時に金属膜に剥がれが見られた（３段階）。

１・・・・・・・誘電体フィルム
３・・・・・・・有機樹脂シート
５・・・・・・・膜
５ａ・・・・・・金属酸化物
１１・・・・・・電極層
１３・・・・・・本体部
１４・・・・・・外部電極
１５・・・・・・リード
１６・・・・・・外装部材

Claims (5)

1. 有機樹脂シートの表面に、金属酸化物を含む扁平状の膜が島状に点在していることを特徴とする誘電体フィルム。
2. 前記膜は、前記有機樹脂シートの他方の表面よりも一方の表面に主として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
3. 前記膜の表面は、前記有機樹脂シートの表面と略面一であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体フィルム。
4. 前記金属酸化物が酸化チタン、酸化ジルコニウム、および酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の誘電体フィルム。
5. 請求項１乃至４のうちいずれかに記載の誘電体フィルムの表面に導体層を有していることを特徴とするフィルムコンデンサ。