JP2017519374A - エネルギー蓄積装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
C = Q/V (1)
で定義される一定の静電容量Cにより特徴づけられ、これは静電容量が面積とともに増加して距離とともに減少することを示している。このため、静電容量は、高誘電率の材料で製作されたデバイスにおいて最大となる。
Vbd = Ebdd (2)
で与えられる。
C = [dins・nins/(ε0εinsS) + dcond・(nins-1)/(ε0εcond・S)]-1=
= ε0・S・[ dins・nins/εins+ dcond・(nins-1)/εcond]-1 (3)
で定められ、ここで、dinsは絶縁層の厚さであり、dcondは導電層の厚さであり、ninsは絶縁層の数であり、ε0は真空の誘電率である。
dcond>> (nins/(nins-1) ×(εcond/εins)×dins あるいは
dcond = p×(nins/(nins-1) ×(εcond/εins)×dins ここでp≧3 (4)
nins>>1の場合、dcond = p×(εcond/εins) ×dins (5)
このように、絶縁層はコンデンサの高破壊電圧を提供し、導電層は多層構造の高誘電率を提供する。
{Cor}(M)n (I)
で表される修飾有機化合物を含み、ここで、Corは共役π系を有する多環式有機化合物であり、Mは修飾官能基であり、nは修飾官能基の個数であり、ただし、nは1以上である。本発明の一実施形態において、多環式有機化合物は、表1に示すようなオリゴフェニル、イミダゾール、ピラゾール、アセナフテン、トリアジン(triaizine)、インダントロンを含んでかつ構造1〜43から選択される一般構造式を有するリストの中から選択される。
本発明の別の実施形態において、導電層は、分子伝導性(molecular conductivity)を有する材料を含有する。分子伝導性を有する導電材料とは、複数の有機分子を含んだ材料であって、外部の電界の作用でこれらの分子の範囲内で電荷が移動する材料のことである。この分子内で移動する電荷の変位の結果として、電界に沿って配向する電気双極子が生じる(Jean-Pierre Farges, Organic Conductors, Fundamentals and applications, Marcell-Dekker Inc. NY. 1994)。
(導電性オリゴマー)--Rq (II)
で表され、ここで、Rqは一組の置換基であり、qはRqの組における置換基Rの個数であり、qは1、2、3、4、5、6、7、8、9、または10である。本発明のさらに別の実施形態において、複数の置換基Rは、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、及びそれらの組合せを含んだリストの中から個別に選ばれる。
dcond = p×(nins/(nins-1)×(εcond/εins)×dins ただし p≧3 (6)
開示のエネルギー蓄積装置の電極は、Pt、Cu、Al、AgまたはAuを含むがこれに限らない適当な材料から形成してもよい。
実施例1
実施例1は、2つの絶縁層と1つの導電層とを有する固体多層構造体を含むエネルギー蓄積装置を説明する。
実施例2は、絶縁層と導電層とを交互に有する固体多層構造体を含むエネルギー蓄積装置を説明する。
実施例3は、コンデンサの動作電圧の値に応じた絶縁層の数と厚さの計算について説明する。動作電圧が100ボルトのエネルギー蓄積装置を製造する場合には、絶縁材料の合計の厚さが約2500nmになるように、厚さ25nmの絶縁層の数を増やすか厚さを増やす必要がある。ポリエチレンを絶縁層として使用した各層の厚さが25nmであるエネルギー蓄積装置を製造する工業的用途の場合、所望の動作電圧を得るために、100層以上を必要とする。この概算は、1ミリメートルの厚さでの破壊電圧Vbdが40キロボルトであることに基づく。この実施例では、導電材料の誘電率が十万(100000)と等しい。各導電層の厚さは、300ミクロンとほぼ等しい。目標とする動作電圧を1000ボルトにまで増やした場合、絶縁層の必要な数及び厚さはD=N×d=25000nmにまで増える。ここで、Dはすべての層を合計した厚さであり、Nは層の数であり、dは各層の厚さである。
Claims (27)
- 第1の電極と、
第2の電極と、
第1の電極と第2の電極との間に配置された固体多層構造体とを備え、
これら複数の電極は平坦かつ平面状であり、かつ互いに平行に配置され、
前記固体多層構造体はm個の絶縁層と導電層とを備え、
これら複数の層は、前記電極と平行に配置され、
前記複数の層はA-B-(A-B-…A-B-)Aという並び順を有し、ここで、Aは絶縁誘電材料を含む均質な絶縁層であり、Bは均質な導電層であり、mは3以上である
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。 - 前記絶縁層は結晶質である、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記絶縁層は一般構造式I:
{Cor}(M)n (I)
で表される修飾有機化合物を含み、ここで、Corは共役π系を有する多環式有機化合物であり、Mは修飾官能基であり、nは修飾官能基の個数であり、ただし、nは1以上である、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。 - 前記多環式有機化合物は、オリゴフェニル、イミダゾール、ピラゾール、アセナフテン、トリアジン、インダントロンからなる群から選択され、かつ以下の構造1〜43からなる群から選択される一般構造式を有する、請求項3に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記修飾官能基は、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項3に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記絶縁層は、フッ化アルキル、ポリエチレン、ケブラー(登録商標)、ポリ(フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン)、ポリプロピレン、フッ化ポリプロピレン、ポリジメチルシロキサンからなる群から選択されるポリマー材料を含有する、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記絶縁層は、以下の構造44〜49から選択される構成単位で形成されたポリマー材料を含有する、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電層は結晶質である、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電層は、分子伝導性を有する材料を含む、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電層は、導電性オリゴマーを含む、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電性オリゴマーの長手軸は、前記複数の電極に対して大体に垂直に向いている、請求項10に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電性オリゴマーの長手軸は、前記複数の電極に対して大体に平行に向いている、請求項10に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電性オリゴマーは、大体に横方向の並進対称性を有する、請求項10に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電性オリゴマーは、以下の構造50〜56からなる群から選択され、ただし、Xは2、3、4、5、6、7、8、9、10、11または12である、請求項10に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電層は低分子量の導電性ポリマーを含有する、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記低分子量の導電性ポリマーは、以下の構造50〜56からなる群から選択されるモノマーを含有し、ただし、Xは2、3、4、5、6、7、8、9、10、11または12である、請求項15に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記導電性オリゴマーは複数の置換基を更に有し、かつ以下の一般構造式II:
(導電性オリゴマー)--Rq (II)
で表され、ここで、Rqは一組の置換基であり、qは前記Rqの組における置換基Rの個数であり、qは1、2、3、4、5、6、7、8、9、あるいは10である、請求項10に記載のエネルギー蓄積装置。 - 前記複数の置換基Rは、アルキル、アリール、置換アルキル、置換アリール、及びそれらの組合せからなる群から個別に選ばれる、請求項17に記載のエネルギー蓄積装置。
- 絶縁層の厚さ(dins)、導電層の厚さ(dcond)、絶縁層の数(nins≧2)、絶縁誘電材料の誘電率(εins)、及び導電層の誘電率(εcond)は、以下の関係:
dcond = p×(nins/(nins-1)×(εcond/εins)×dins
を満たし、ただし、pは3以上である、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。 - 前記電極は、Pt、Cu、Al、Agおよび/またはAuを含む、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記複数の電極は銅を含み、mは3に等しく、前記絶縁誘電材料Aはポリエチレンを含み、導電材料Bはポリアニリン(PANI)を含み、絶縁層の厚さdinsは25nmであり、導電層の厚さdcondは50μmであり、破壊電圧Vbdはおよそ2ボルトである、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- 前記複数の電極は銅を含み、mは7に等しく、前記絶縁誘電材料はポリエチレンを含み、導電材料はポリアニリン(PANI)を含み、絶縁層の厚さdinsは25nmであり、導電層の厚さdcondは50μmであり、破壊電圧Vbdはおよそ4ボルトである、請求項1に記載のエネルギー蓄積装置。
- (a)第1の電極として役割を果たす導電基板を準備するステップと、
(b)前記第1の電極の上に多層構造体を形成するステップと、
(c)前記多層構造体の上に第2の電極を形成するステップとを含み、
前記多層構造体の形成は、複数の絶縁層と複数の導電層とを交互に施すステップを含むか、あるいは絶縁層と導電層を共押出するステップを含む
ことを特徴とするエネルギー蓄積装置の製造方法。 - 前記多層構造体を形成するステップ(b)は、絶縁材料の溶液と導電材料の溶液とを交互に塗布するステップを含み、この両方の塗布のステップの後には、乾燥させて固体の絶縁層と固体の導電層を形成するステップが続き、前記多層構造体の形成が完了するまで、前記交互に塗布するステップが繰り返されるとともに、最初の層及び最後の層として絶縁層が形成され、前記最初の層及び前記最後の層はそれぞれ電極と直接に接触する、請求項23に記載の方法。
- 前記多層構造体を形成するステップ(b)は、絶縁材料の溶融物と導電材料の溶融物とを交互に塗布するステップを含み、この両方の塗布のステップの後には、冷却して固体の絶縁層と固体の導電層とを形成するステップが続き、前記多層構造体の形成が完了するまで、前記交互に塗布するステップが繰り返されるとともに、最初の層及び最後の層として絶縁層が形成され、前記最初の層及び前記最後の層はそれぞれ電極と直接に接触する、請求項23に記載の方法。
- 固体多層構造体を形成するステップ(b)は、導電材料層と絶縁誘電材料層を交互に前記基板上に共押出するステップを含み、その後、乾燥させて固体多層構造体を形成することが続く、請求項23に記載の方法。
- 固体多層構造体を形成するステップ(b)は、溶融した導電材料層と溶融した絶縁誘電材料層を交互に前記基板上に共押出するステップを含み、その後、冷却して固体の多層構造体を形成することが続く、請求項23に記載の方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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