JP2782528B2 - 有機圧電焦電体膜の形成方法 - Google Patents

有機圧電焦電体膜の形成方法

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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は例えばマイクロホン、スピーカー用の振動板
等の音響機器、各種熱センサー、圧力センサー、赤外線
検出器等の測定機器等にその圧電性や焦電性を利用して
用いる有機圧電焦電体膜の形成方法に関する。
(従来の技術) 従来、有機圧電焦電体膜としてポーリング処理された
ポリビニリデンフロライドフイルム(以下PVDフイルム
という)等が用いられている。
これら有機圧電焦電体膜はほとんど同様の方法で形成
されるが、例えばPVDFフイルムの形成の場合について示
せば次の通りである。
先ず、例えば原料モノマーとしてフッ化ビニリデンを
蒸留水とベンゾイルパーオキサイド等の過酸化物触媒と
共に温度60〜80℃で、圧力790〜950の加圧下で反応させ
て得られた重合体を、フイルム形成法でシート状のフイ
ルムに形成する。この形成されたフイルムに延伸処理を
施して配向性(フイルムの結晶性)を高めた後、該フイ
ルムを温度室温〜70℃で、電場50〜250MV/mの条件下で
ポーリング処理(双極子を電場の方向に配向させる)を
行って圧電焦電体のPVDFフイルムを形成する。
ここでポーリング処理を行うのは、PVDFフイルムは分
子鎖内に双極子モーメントの大きいCF2原子団を含んで
いるため、ポーリング処理によって該原子団の有する双
極子モーメントを分子鎖に沿って同一方向に配列し、高
分子鎖の集合体である高分子フイルムに残留分極を生じ
させ、該フイルムに圧電性ないし焦電性を与えるためで
ある。
尚、PVDFフイルムはフイルムに成形しただけでは、ジ
グザグ(β型)分子と、ヘリクス(α型)分子とが混じ
っている状態なので、延伸によって高分子鎖をジグザグ の形(βフォーム)にしてからポーリング処理を行って
いる。
(発明が解決しようとする手段) 前記PVDFフイルム等の有機圧電焦電体の形成方法は、
フイルムに圧電性、焦電性を付与するまでには、原料モ
ノマーの重合工程、フイルム形成工程、延伸工程、ポー
リング工程等のように数多くの工程を必要とするため作
業性が悪く、しかもフイルム形成後に延伸処理を施さな
ければ配向性が得られないので、圧電焦電体としてはフ
イルム状のものしか得られないため、圧電焦電体膜とし
て基板上にコーテングすることが出来ない等の問題があ
る。
また、PVDFフイルムの場合は耐熱性に乏しいため、フ
イルム温度が数十度に達すると次第に軟化が起こって残
留分極が減少し、該温度が100℃付近ではフイルムの弾
性率の低下、誘電率の上昇と共に圧電率、焦電率が減少
して音響デバイスセンサー等に使用することが困難であ
る等の問題がある。
また、芳香族系フイルムの場合は耐熱性を備えている
が、構成高分子中にベンゼン環を含有しているためPVDF
フイルムのように直接フイルムに高電界を加える通常の
ポーリング処理ではフイルム内で分子鎖内の双極子の反
転が極めて困難であるので、十分な残留分極が得られ
ず、その結果圧電率はPVDFフイルムの1/200程度のレベ
ルしか得られないという問題がある。
本発明は、前記問題点を解消した有機圧電焦電体膜の
形成方法を提供することを目的とする。
(課題を解消するための手段) 有機圧電焦電体膜の圧電率、焦電率は、大きな双極子
モーメントを有する原子団が重要な役割を果たしてお
り、その原子団としてはF,CN,Clだけではなく、>C=
O基やNH基も大きな双極子モーメントを有しており、こ
れ等>C=O基やNH基を含む高分子膜は優れた圧電率、
焦電率を備える。
そこで本発明者らは、>C=O基やNH基を含む高分子
に着目し、鋭意検討の結果、原料モノマーを真空中で基
板上に蒸着重合させることによって配向性の優れたポリ
尿素膜を形成し得ることを知見した。
本発明の有機圧電焦電体膜の形成方法は、前記知見に
基づいてなされたものであって、真空中でジアミンとジ
イソシアナートとから成る原料モノマーを蒸発させ、こ
れらを基板上で蒸発重合させて該基板上にポリ尿素膜を
形成し、該ポリ尿素膜にポーリング処理を施すことを特
徴とする。
ポリ尿素の一方の原料モノマーに用いるジアミンとし
ては、4,4′−ジアミノジフェニルエーテル、4,4′−ジ
アミノ−3,3′−ジメチルジフェニルメタン、p,p′−ジ
アミノジフェニルメタン等が挙げられる。
また、他方の原料モノマーに用いるジイソシアナート
としては、4,4′−ジイソシアン酸メチレンジフェニ
ル、4,4′−ジイソシアン酸3,3′−ジメチルジフェニル
等が挙げられる。
また、前記両原料モノマーを蒸発させて基板上で重合
させる際の真空度としては1×10-4〜1×10-5Torr程度
に設定する。
また、ポリ尿素膜に施すポーリング処理はポリ尿素膜
を180〜200℃程度の解離温度に近い高温度に加熱し、該
ポリ尿素膜に100〜200MV/m程度の電界を所定時間印加し
た後、該ポリ尿素膜を室温まで徐冷する。
ポリ尿素の重合反応を、ジアミンに4,4′−ジアミノ
ジフェニルエーテルを用い、ジイソシアネートに4,4′
−ジイソシアン酸メチレンジフェニルを用いた場合で示
せば次式の通りである。
この反応は可逆反応であり、温度200℃付近では分子
運動が活発となる。そこで一旦ポリ尿素を成膜した後、
温度200℃でポーリングを行うと膜内の分子は動きやす
い状態となっているため、極めて容易に配向する。そし
て配向後、温度を低くすることにより、膜内の分子が配
向したまま固定されて、一定方向の配向性を有するポリ
尿素膜が得られる。
ポリ尿素の高分子鎖には各モノマー毎にNH−CO−NHの
双極子が存在し、その双極子モーメントは約5デバイユ
ニットであり、高電場の下ではこれら双極子が電場方向
に配向する。特に分子運動が容易に行なえる高温度では
双極子が分子鎖上で一定の方向に配向するので、形成さ
れた膜を室温まで冷却した後でも残留分極が発生する。
この残留分極は安定であり、高分子の転移温度以下では
温度を昇降させても消滅しない。
また、電場の向きを反対にすることにより双極子の向
きを反対方向に変えることが出来る。このことは積層膜
を形成する際の利点となる。
(実施例) 以下添付図面に従って本発明の実施例について説明す
る。
第1図は本発明方法を実施する装置の1例を示すもの
で、図中、1は処理室を示す。該処理室1内を外部の真
空ポンプその他の真空排気系2に接続すると共に、該処
理室1内に圧電焦電体の蒸着膜を形成せしめるべき基板
3を2本のレールから成るホルダー4上に保持し、かつ
基板3の前面に設けられた膜厚モニター5によって基板
3上に形成される膜厚を測定するようにした。また、処
理室1内の下方に前記基板3に対向させて焦電体の原料
モノマーaとしてのジアミン、原料モノマーbとしての
ジイソシアナートを夫々蒸発させるためのガラス製の蒸
発用容器6,6を設け、該各蒸発用容器6をその近傍に設
けられた水晶振動の蒸発モニター7と、ヒーター8とに
よって前記原料モノマーaおよびbの蒸発を常に一定化
させる所定温度にコントロール出来るようにした。尚、
図中、9は基板3と両蒸発用容器6との介在されるシャ
ッター、10は両蒸発用容器6間に設けた仕切板を示す。
次に前記装置を用いてポリ尿素膜の形成の具体的実施
例を比較例と共に説明する。
実施例1 先ず、蒸発用容器6,6の一方に原料モノマーa即ちジ
アミンとして4,4′−ジアミノジフェニルエーテルと、
他方に原料モノマーb即ちジイソシアナートとして4,
4′−ジイソシアン酸メチレンジフェニルを夫々充填
し、シャッター9を閉じた状態で処理室1内の全圧を真
空排気系2を介して1×10-5Torrに設定する。
次に、蒸発モニター7,7で蒸発用容器6,6からの各原料
モノマーa,dの蒸発量を測定しながらヒーター8,8によっ
て4,4′−ジアミノジフェニルエーテルを温度135±2℃
に、また、4,4′−ジイソシアン酸メチレンジフェニル
を温度75±2℃に夫々加熱する。次いで、原料モノマー
a,bが所定温度に達して所要の蒸発量が得られた後にシ
ャッター9を開き、処理室1内のホルダー4で保持され
た基板3(スライドガラスの表面に下部電極として予め
アルミニウムが蒸着されている)上に該原料モノマーa,
bを2Å/分の析出速度で厚さ2000Åに堆積させた後、
シャッター9を閉じ、基板3上でポリ尿素の重合反応を
起こさせて該基板3上にポリ尿素膜を形成した。このポ
リ尿素膜の上に更に上部電極としてアルミニウムを蒸発
した。
尚、原料モノマーa,bは化学量論的にポリ尿素膜が形
成されるように蒸発量の調整によって1:1のモル比で蒸
発するようにした。また、原料モノマーa,bの蒸発時に
おける処理室1内の圧力は3×10-5Torrとした。
このようにしてポリ尿素膜の形成された基板3を取り
出し温度200℃に加熱し、上部電極と下部電極の間即ち
該ポリ尿素膜に150MV/mの電界を10分間印加したまま加
熱を停止し、ポリ尿素膜の温度を200℃から室温まで徐
冷してポーリング処理をし施した。
前記方法でポーリング処理されたポリ尿素膜を温度50
℃から170℃に加熱しながら焦電流を測定し、次式によ
り焦電率(C/m2K)を求めた。
得られた各温度毎の焦電率を第2図に曲線Aとして示
す。また、共振法で圧電率を調べたところd=5pC/Nで
あった。
実施例2 一方の原料モノマーaとして4,4′−ジアミノ−3,3′
−ジメチルジフェニルメタンを用い、その加熱温度を11
0±2℃とし、また、他方の原料モノマーbとして4,4′
−ジイソシアン酸メチレンジフェニルを用い、その加熱
温度を75±2℃とした以外は実施例1と同様の方法で基
板3上にポーリング処理されたポリ尿素膜を形成した。
そして実施例1と同様の方法で焦電率を求め、得られ
た各温度毎の焦電率を第2図に曲線Bとして示す。
また、実施例1と同様の方法で圧電率を調べたところ
d=12C/Nであった。
実施例3 一方の原料モノマーaとして4,4′−ジアミノジフェ
ニルエーテルを用い、その加熱温度を135±2℃とし、
また、他方の原料モノマーbとして4,4′−ジイソシア
ン酸3,3′−ジメチルジフェニルを用い、その加熱温度
を100±2℃とした以外は実施例1と同様の方法で基板
3上にポーリング処理されたポリ尿素膜を形成した。
そして実施例1と同様の方法で焦電率を求め、得られ
た各温度毎の焦電率を第2図に曲線Cとして示す。
また、実施例1と同様の方法で圧電率を調べたところ
d=4pC/Nであった。
実施例4 一方の原料モノマーaとしてp,p′−ジアミノジフェ
ニルメタンを用い、その加熱温度を105±2℃とし、ま
た、他方の原料モノマーbとして4,4′−ジイソシアン
酸メチレンジフェニルを用い、その加熱温度を75±2℃
とした以外は実施例1と同様の方法で基板3上にポーリ
ング処理されたポリ尿素膜を形成した。
そして実施例1と同様の方法で焦電率を求め、得られ
た各温度毎の焦電率を第2図に曲線Dとして示す。
また、実施例1と同様の方法で圧電率を調べたところ
d=4.5pC/Nであった。
比較例 厚さ25μmのPVDFフイルムの両面に電極としてアルミ
ニウムを蒸着した後、該フイルムに温度室温〜70℃で電
場100MV/mの条件下でポーリング処理を行った。
そして実施例1と同様の方法で焦電率を求め、得られ
た各温度毎の焦電率を第2図に曲線Eとして示す。
また、実施例1と同様の方法で圧電率を調べたところ
d=25pC/Nであった。
第2図に示すように焦電体膜の原料モノマーとしてジ
アミンとジイソシアナートとを用いた実施例1,2,3,4の
ポリ尿素膜は、PVDFフイルムを用いた比較例に比して温
度100℃ないし200℃のような高温度下において優れた焦
電性を備えていることが確認された。
(発明の効果) このように本発明によるときは、真空中で基板上に直
接有機圧電焦電体膜を形成(コーティング)することが
出来るので、例えば基板上にパターニング等も可能とな
ってICと組み合わせることによってセンサー素子の形成
にも利用することが出来、また該有機圧電焦電体膜の形
成を従来法のような延伸処理することなく形成すること
が出来るので、有機圧電焦電体膜の製作が容易であり、
耐熱性の優れた有機圧電焦電体膜を形成することが出来
る等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明有機圧電焦電体膜の形成方法を実施する
ための装置の1例の截断面図、第2図は本発明実施例お
よび比較例における有機圧電焦電体膜の焦電率と温度変
化との関係を示す特性線図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 41/26 H01L 41/193 H01L 37/02 CAS JOIS

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空中でジアミンとジイソシアナートとか
    ら成る原料モノマーを蒸発させ、これらを基板上で蒸着
    重合させて該基板上にポリ尿素膜を形成し、該ポリ尿素
    膜にポーリング処理を施すことを特徴とする有機圧電焦
    電体膜の形成方法。
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