JP4879350B2 - 導電性高分子懸濁液、導電性高分子組成物、ならびに固体電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

導電性高分子懸濁液、導電性高分子組成物、ならびに固体電解コンデンサおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、導電性高分子懸濁液、導電性高分子組成物、ならびに固体電解コンデンサおよびその製造方法に関し、詳しくは、分散性の優れた導電性高分子懸濁液、高導電率で耐水性に優れた導電性高分子組成物、ならびに等価直列抵抗が低く信頼性に優れた固体電解コンデンサおよびその製造方法に関するものである。

タンタル、アルミニウムなどの弁作用金属の多孔質体に、陽極酸化法によって誘電体酸化皮膜を形成した後、この酸化皮膜上に導電性高分子を形成し、これを固体電解質とする固体電解コンデンサが開発されている。

この固体電解コンデンサの固体電解質となる導電性高分子層の形成方法としては、化学酸化重合と電解酸化重合とに大別され、導電性高分子材料を構成する単量体(モノマー)としては、ピロール、チオフェン、3,4−エチレンジオキシチオフェン、アニリンなどが知られている。

このような固体電解コンデンサは、従来用いられてきた二酸化マンガンを固体電解質とするコンデンサよりも等価直列抵抗(以下、ESRと称す)が低く、さまざまな用途に用いられ始めており、近年、集積回路の高周波化、大電流化のトレンドに伴い、ESRが低く、大容量かつ損失の小さい固体電解コンデンサが求められている。

このような固体電解コンデンサに関連する技術として、特許文献1は、縁部を良好に被覆する高密度ポリマー外層を、簡単に得ることができ、かつ確実に再現することができる、低いESRを有する固体電解質コンデンサの向上した製造法を提供するもので、電極物質の多孔質電極本体;電極物質の表面を覆う誘電体;および誘電体表面を導電性材料を含む固体電解質を含むコンデンサ本体に、ポリアニリンおよび/またはポリチオフェンを含む導電性ポリマーの粒子b)を含む分散物a)を適用する工程;および導電性ポリマー外層の形成にために、分散剤d)を少なくとも部分的に除去し、かつ/または結合剤c)を硬化させる工程を含み、分散物a)中の導電性ポリマーの粒子b)が平均粒径70〜500nmを有する、固体電解質コンデンサの製造方法が提案されている。

分散物a)は、エーテル、ラクトン、アミドまたはラクタム基を含有する化合物、スルホン、スルホキシド、糖、糖誘導体、糖アルコール、フラン誘導体および/またはジ−またはポリアルコールを、さらに含むことで導電性を増加させるので好ましいとしている。

特開2006−295184号公報

しかしながら、例えばソルビトール、マンニトールのOH基数が比較的多い、糖アルコールを添加剤として高分子溶液に含有させた場合、成膜工程の乾燥時に析出が認められる場合がある。このようにして得られた導電性高分子膜は、低密度で導電率が低く、膜の平滑性(残存気泡有無、析出物有無)も乏しい。このような成膜状態のコンデンサは、内部重合層やグラファイト層との界面抵抗も大きく、その結果、ESRが高くなる欠点がある。さらに成膜性が悪いために気密性が悪く、耐湿・耐熱特性などの長期信頼性試験において、ESR劣化が早くなる欠点がある。

このように導電性高分子層を固体電解質とする固体電解コンデンサは、種々の検討が進められてきたが、固体電解コンデンサにおける低ESR化と信頼性の両立は、未だ十分に達成されていない状況にある。

本発明の課題は、高導電率で耐水性に優れ、高密度で平滑性に優れた導電性高分子組成物を提供すること、導電率の低下を防止し、低ESRで、信頼性に優れた固体電解コンデンサおよびその製造方法を提供し、さらには、取扱いが容易で安全な添加剤の代替化合物を用いた簡便な固体電解コンデンサの製造方法を提供することにある。

本発明の導電性高分子懸濁液は、ポリ酸またはその塩からなるドーパントおよび導電性高分子を含む導電性高分子材料と、エリスリトールおよびペンタエリトリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)と、分散媒とを含むことを特徴とする。

前記導電性高分子材料は、前記ドーパントとして、ポリスルホン酸またはポリカルボン酸を含むことが好ましく、ポリスチレンスルホン酸またはポリエステルスルホン酸を含むことがより好ましい。前記導電性高分子材料は、前記導電性高分子として、ピロール、チオフェン、アニリンおよびそれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも一種の単量体を重合して得られる重合体を含むことが好ましい。

本発明の導電性高分子組成物は、前記導電性高分子懸濁液から、前記分散媒を除去して得られることを特徴とする。前記分散媒の除去を、前記化合物(A)の融解温度以上で行うことが好ましい。

本発明の固体電解コンデンサは、前記導電性高分子組成物を含む固体電解質層を有することを特徴とし、弁作用金属からなる陽極体と、前記陽極体の表面に形成されている誘電体層とをさらに有し、前記誘電体層上に前記固体電解質層が形成されていることが好ましい。前記弁作用金属は、アルミニウム、タンタルおよびニオブから選択される少なくとも1種であることが好ましい。

本発明の固体電解コンデンサの製造方法は、弁作用金属からなる陽極体の表面に誘電体層を形成する工程と、前記誘電体層上に、前記導電性高分子懸濁液を塗布または含浸し、前記導電性高分子懸濁液から前記分散媒を除去することで、第一の導電性高分子層を形成する工程とを有することを特徴とする。前記第一の導電性導電性高分子層を形成する前に、前記誘電体層上に、化学酸化重合または電解重合により第二の導電性高分子層を形成する工程、をさらに有することが好ましい。
前記第一の導電性高分子層を形成する工程における分散媒の除去を、前記化合物(A)の融解温度以上の温度で行うことが好ましい。前記分散媒の除去を行う温度は、150℃以上270℃未満であることが好ましい。前記誘電体層として、前記弁作用金属の酸化皮膜を形成することが好ましい。前記弁作用金属は、アルミニウム、タンタルおよびニオブから選択される少なくとも1種であることが好ましい。

本発明によれば、導電性高分子層中にエリスリトールおよびペンタエリスリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)を含ませることにより、高密度かつ高導電率で水分吸湿の少ない導電性高分子組成物が得られる。また、ESRが低く、高信頼性の固体電解コンデンサおよびその製造方法を提供することができ、さらに取扱いが容易な物質を用いた簡便な固体電解コンデンサの製造方法を提供することができる。

本発明に係る固体電解コンデンサの内部構造を説明する模式図である。

本発明の導電性高分子懸濁液は、ポリ酸またはその塩からなるドーパントおよび導電性高分子を含む導電性高分子材料と、エリスリトール、キシリトールおよびペンタエリトリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)と、分散媒とを含むことを特徴とする。

ドーパントとしては、ポリ酸またはその塩を用いることができる。ポリ酸の具体例としては、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)等のポリスルホン酸;ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリマレイン酸等のポリカルボン酸が挙げられる。中でも、ポリスチレンスルホン酸、ポリエステルスルホン酸が好ましい。ポリ酸またはその塩は、1種を用いることもでき、2種以上を組み合わせて用いることもできる。ポリ酸またはその塩の重量平均分子量は、特に制限されない。

導電性高分子としては、ピロール、チオフェン、ポリアニリンおよびそれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも一種の単量体を重合して得られる重合体を用いることできる。チオフェンの誘導体としては、3,4−エチレンジオキシチオフェンが挙げられる。導電性高分子としては、3,4−エチレンジオキシチオフェンの重合体を用いることが好ましい。導電性高分子は、1種を用いることもでき、2種以上を組み合わせて用いることもできる。

分散媒としては、導電性高分子を与えるモノマーとの相溶性が良好な分散媒を選定することが好ましく、水でも有機溶媒でも水混和有機溶媒でもよい。有機溶媒の具体例としては、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール系溶媒;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒;ヘキサン等の脂肪族炭化水素系溶媒が挙げられる。有機溶媒は、1種を用いることもでき、2種以上を組み合わせて用いることもできる。中でも、水が好ましい。

導電性高分子懸濁液中の導電性高分子の濃度は、0.1〜20重量%が好ましく、0.5〜10重量%がより好ましい。ドーパントの使用量は、高い導電率を有する導電性高分子を得るために、導電性高分子100重量部に対して20〜3000重量部が好ましく、30〜1000重量部がより好ましい。

本発明の導電性高分子懸濁液は、エリスリトール、キシリトールおよびペンタエリトリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)を含有する。これらの化合物(A)は、分散性の良好な導電性高分子懸濁液を与え、高密度かつ高導電率で、水分の吸収性が少ない導電性高分子組成物を与えることができる。特に、ペンタエリスリトールは、少量の含有量でその機能を奏することから、好適に使用される。

化合物(A)の添加前後の導電性高分子懸濁液の分散性評価は、粒径分布測定によって行うことができ、遠心沈降、光透過法、レーザー回折、動的光散乱、超音波法などによっても測定可能である。

導電性高分子懸濁液に添加する化合物は、固体粉末状であることが好ましい。また、導電性高分子懸濁液の分散媒への溶解性を示し、その融解温度が分散媒の沸点以上であることが好ましい。例えば、分散媒として水を含有する場合、融解温度が100℃以上の化合物が好ましい。なお、化合物の融解温度は、TG/DTA(示差熱分析)、DSC(示差走査熱量分析)などによって、測定することが可能である。

化合物(A)の含有量は、特に制限されず、少なくとも混合することによって効果を奏する。ポリ酸成分と同モル量以上の化合物(A)を混合することで、導電性高分子懸濁液の粒子分散性が優れ、高密度かつ高導電率の導電性高分子組成物が得られることから好ましい。なお、化合物(A)の含有量の上限は、導電性高分子懸濁液に溶解する量であれば特に制限されない。

エリスリトールは、例えば、ソルビトールやマルチトースなどの多価アルコールに比較して結晶性が高いため、吸湿性が小さく、取扱いが容易である観点からも好ましい。

エリスリトールおよびキシリトールは、例えば甘味料として用いられる食品添加物として知られており、安全面、安定性にも優れており、低環境負荷物質であることからも好ましい。また、これら物質の水に対する溶解度は、例えば、エチレングリコールおよびグリセリンなどの非水溶媒に比較して、数倍高く添加量の設計自由度が高いことも優位な点であり、好ましい。

ペンタエリスリトールは、加熱すると徐々に昇華し、融点以上の加熱で脱水して重合する特徴を有している。これによって、高分子膜質が変化し、膜密度および膜強度が向上し、信頼性に非常に優れた高分子膜を得ることができる。このような反応性は、その化学構造に起因しており、例えばエリスリトールやソルビトールのような化学構造では、起こり難い。

本発明の導電性高分子組成物は、上記の導電性高分子懸濁液から、分散媒を除去して得られることを特徴とする。分散媒を除去する際は、分散媒の沸点以上であれば特に制限されないが、さらに化合物(A)の融解温度以上で行とで、より高密度で水分の吸湿が少ない導電性高分子組成物を与えるため好ましい。これは、前述したエステルの生成に起因するものであると考えられる。

具体的には、150℃以上であることが好ましく、180℃以上270℃未満であることが特に好ましい。乾燥時間は、乾燥温度によって適宜最適化する必要があるが、熱による導電性高分子が劣化しない範囲であれば特に制限されない。

本発明は、前記導電性高分子組成物を含む固体電解質層を有する固体電解コンデンサである。より具体的には、弁作用金属からなる陽極体と、前記陽極体の表面に形成されている誘電体層とをさらに有し、前記誘電体層上に前記固体電解質層が形成されている固体電解コンデンサである。

本発明の固体電解コンデンサは、弁作用金属からなる陽極体の表面に誘電体層を形成した後、その誘電体層上に、前述の導電性高分子懸濁液を塗布または含浸し、その導電性高分子懸濁液から分散媒を除去することで、第一の導電性高分子層を形成することで製造することができる。

以下、本発明の固体電解コンデンサの構成および作製方法に関して説明する。図1は、本発明に係る固体電解コンデンサの内部構造を説明する模式図である。

図1の固体電解コンデンサ(コンデンサ素子とも言う)では、陽極体1上に、誘電体層2、固体電解質層3および陰極層4がこの順に形成された構造をしている。

陽極体1は、弁作用金属を有する金属の板、箔または線;弁作用を有する金属微粒子からなる焼結体;エッチングによって拡面処理された多孔質体金属などによって形成される。弁作用金属の具体例としては、タンタル、アルミニウム、チタン、ニオブ、ジルコニウムまたはこれらの合金が挙げられ、タンタル、アルミニウムおよびニオブから選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。

誘電体層2は、例えば、陽極体1の表面を電解酸化させた膜であり、焼結体や多孔質体などの空孔部にも形成される。酸化皮膜の厚みは、電解酸化の電圧によって適宜調整できる。

固体電解質層3は、少なくとも導電性高分子層が含まれるが、本発明では、少なくとも上述の導電性高分子組成物を含む第一の導電性高分子層3Bを有する。導電性高分子層は、例えば、ピロール、チオフェン、アニリンおよびその誘導体を少なくとも1種以上含む単量体を重合して得られる重合体を含む。特に、ピロール、チオフェンおよびその誘導体を含むことが好ましく、ピロール、チオフェンまたは3,4−エチレンジオキシチオフェンがより好ましい。

固体電解質層3には、二酸化マンガン、酸化ルテニウムなどの酸化物誘導体、TCNQ(7,7,8,8,−テトラシアノキノジメタンコンプレックス塩)などの有機物半導体が含まれていてもよい。

第一の導電性高分子層3Bは、弁作用金属からなる陽極体1の表面に誘電体層2を形成した後、その誘電体層2上に、前述の導電性高分子懸濁液を塗布または含浸し、その導電性高分子懸濁液から分散媒を除去することで形成することができる。また、第一の導電性導電性高分子層3Bを形成する前に、誘電体層2上に、化学酸化重合または電解重合により第二の導電性高分子層3Aを形成してもよい。第二の導電性高分子層3Aを形成するための単量体は、上述の導電性高分子懸濁液と同様のものを用いることができる。酸化剤としては、金属塩や硫酸塩を用いることができる。

導電性高分子懸濁液の塗布方法としては、十分に多孔質細孔内部へ充填させるために、塗布後に数分〜数10分放置することが好ましい。導電性高分子懸濁液の含浸方法としては、浸漬の繰り返しや減圧または加圧方式が好ましい。

分散媒の除去は、分散媒の除去が可能な温度範囲であれば、特に限定されないが、化合物(A)の融解温度以上で行うことが好ましく、熱による素子劣化防止の観点から、270℃未満であることが好ましい。

第一の導電性高分子層3Bと、誘電体層2の表面に密接して形成する第二の導電性高分子層3Aは、導電性高分子の骨格と同一種であることが好ましい。

第二の導電性高分子層3Aの形成に用いるドーパントとしては、例えばナフタレンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、フェノールスルホン酸、スチレンスルホン酸、カンファースルホン酸およびその誘導体からなるスルホン酸系化合物が好ましい。また、ドーパントの分子量は、低分子化合物から高分子量体まで適宜選択して用いることができる。

陰極層4は、導体であれば特に限定されないが、グラファイトなどのグラファイト層5と銀導電性樹脂層6とからなる2層構造としてもよい。

(作用)
ポリ酸もしくはその塩からなるドーパントを含む導電性高分子懸濁液にエリスリトール、キシリトールおよびペンタエリトリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)を混合することで、懸濁液中に分散している導電性高分子粒子外面に存在する、ドーパントとして機能していない過剰なドーパント(抵抗成分)を遊離させて、導電性高分子粒子間の抵抗を下げるとともに、導電性高分子の密度を増加させるため、高密度な高分子膜が得られ、高導電率化が可能となる。また、その導電性高分子膜は、気泡の残存などなく、平滑な膜を形成することができる。さらには、水分の吸湿が少ない導電性高分子膜が得られる。

具体的には、化合物(A)は末端に水酸基を有するため、上記のドーパントとして例えば、スルホン酸化合物をイオン対に解離する作用を有し、その結果、導電性高分子膜の導電率を高める効果とさらにイオン対による粒子表面間の電荷反発によって粒子の分散性を高める効果とを奏することができる。

また分散媒を除去することによって、ポリ酸由来のスルホン酸基またはカルボン酸基と水酸基との脱水縮合によって、エステルを生成し、スルホン酸またはカルボン酸が減少するため、親水性から疎水性の性質へ変化すると考えられる。

このような作用によって、本発明の固体電解コンデンサでは、高密度な第一の導電性高分子層が形成されるとともに、陽極体である多孔質体のより内部まで浸透し、誘電体層または第二の導電性高分子層と細孔外部(表面層)の第一の導電性高分子層のコンタクトが増加し、アンカー作用によって細孔内部/外部の第一の導電性高分子層との密着性が高く、十分な導電経路が確保される。

また、高密度で水分の吸湿が少ない導電性高分子膜を有するため、熱ストレス、吸湿などによる界面剥離を防止する。

従って、導電性高分子膜の導電率を低下させず、熱ストレスや吸湿による導電性高分子層の界面剥離を防止するため、低ESRであり、コンデンサの信頼性を向上させることができる。

(従来技術との比較)
本発明と特許文献1の技術内容とを比較すると、導電性高分子層の構成が異なっている。具体的には、特許文献1では、例えば導電性を増加させる物質として、多種挙げられている中、実施例としてはジメチルスルホキシドのみが用いられているが、本発明で用いているエリスリトール、キシリトールまたはペンタエリスリトールとは、その物質の骨格構造、性質が全く異なっている。また、特許文献1では、それらの物質が導電性を増加させる作用についても明確に述べられていない。

本発明のエリスリトール、キシリトールまたはペンタエリスリトールは、特許文献1中には、一切触れられていない物質である。中でも、ペンタエリスリトールは、その化学構造の特徴から重縮合の反応性に着眼して、着想した物質である。

即ち、特許文献1の技術においては本発明の水酸基含有物質における着眼思想および意図する作用と異なって添加していることが明瞭である。従って、特許文献1は、本発明に対し、なんら教示を施すものではなく、類推可能な範囲ではないことは自明である。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

また、ここで使用するエリスリトール、キシリトールおよびペンタエリスリトールとしては、一般に市販されているものを用いた。

(実施例1)
本発明の実施例1について、図1を参照して説明する。陽極体1として、エッチングにより拡面処理された3×4mmの多孔質体アルミニウム箔を用いて、誘電体層として、電解酸化によって酸化皮膜を形成した後、モノマー溶液とドーパント、酸化剤溶液からなる槽に数回浸漬を繰り返し、化学重合法によって、多孔質体細孔内部にポリ3,4−エチレンジオキシチオフェンからなる第二の導電性高分子層3Aを形成した。

次に、純水100gとポリスチレンスルホン酸(M.w.5万)2gからなる混合溶液に、3,4−エチレンジオキシチオフェンを1g投入して、常温で5分間攪拌した。その後、40wt%過硫酸アンモニウム水溶液を1ml/分ずつ5g投入して常温でさらに50h攪拌(1,000rpm)しながら酸化重合させた。このようにして、ポリ3,4−エチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸からなる導電性高分子材料成分が約3wt%である高分子懸濁液を得た。このとき懸濁液の色は、薄黄色→薄灰色→灰→深緑→薄紺→濃紺色に変化した。この濃紺色の懸濁液を10g採取し、エリスリトールを0.5g混合した後、30分間攪拌溶解させて、導電性高分子懸濁液を得た。

この導電性高分子懸濁液の粒径分布を、レーザー回折法を用いて測定した。測定した結果、D50値は0.92μmであった。D50とは、累積粒度曲線において、その累積質量が50%になるときの粒子径である。

この導電性高分子懸濁液を第二の導電性高分子層3A上に5μl滴下して10分間常温放置した。その後、予備乾燥を120℃で10分間行い、本乾燥を180℃で30分行うことで、第一の導電性高分子層3Bを形成した。

第一の導電性高分子層3Bに対し、目視外観チェックと膜密度を測定した。第一の導電性高分子層3Bの外観は、予備乾燥後以降から析出物など認められず、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.5μm/ml・cmであった。

膜密度は、3×4mmの多孔質体アルミニウム箔に5μl滴下し、本乾燥後に得られた膜厚を測定して、1ml、1cmあたりの膜厚に換算した。

さらに、第一の導電性高分子層3B上に、グラファイト層5と銀導電性樹脂層6を形成して、コンデンサ素子を作製した。このコンデンサ素子の100kHzでの初期ESRを測定した後、その耐熱特性と耐湿特性として、ESR変化率(倍)(=(試験後ESR、100kHz)/(初期ESR、100kHz))を算出した。なお、耐熱試験条件は、125℃雰囲気下、無負荷放置、500hとし、耐湿試験条件は、65℃、95%R.H.雰囲気下、無負荷放置、500hとした。

評価数は各10個ずつとした。評価結果の平均値を表1に示す。

表1に示すように、コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは5.2mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.5倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.4倍であった。

(実施例2)
混合するエリスリトールの量を0.03gとして導電性高分子懸濁液を調製した以外は、実施例1と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は1.31μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、予備乾燥後以降から析出物など認められず、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.53μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは5.6mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.6倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.5倍であった。

(実施例3)
混合するエリスリトールの量を2gとして導電性高分子懸濁液を調製した以外は、実施例1と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は1.89μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、予備乾燥後以降から析出物など認められず、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.51μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは5.5mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.5倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.4倍であった。

参考例1
エリスリトール0.5gに代えてキシリトールを0.5g混合して導電性高分子懸濁液を調製した以外は、実施例1と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は0.79μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、予備乾燥後以降から析出物など認められず、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.51μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは4.8mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.4倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.4倍であった。

参考例2
エリスリトール0.5gに代えてキシリトールを0.03g混合して導電性高分子懸濁液を調製した以外は、実施例1と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は0.89μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、予備乾燥後以降から析出物など認められず、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.56μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは5.2mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.5倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.5倍であった。

(実施例6)
エリスリトール0.5gに代えてペンタエリスリトールを0.5g混合して導電性高分子懸濁液を調製した以外は、実施例1と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は0.90μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.48μm/ml・cmであった。

ここで、第一の導電性高分子層3Bの形成において、乾燥温度を変化させた場合の外観変化を目視確認した。具体的には、調製した導電性高分子懸濁液を第二の導電性高分子層3A上に5μl滴下した後、1)10分間常温放置後、2)120℃10分乾燥後、3)150℃30分乾燥後、4)180℃30分乾燥後に行った。結果、1)および2)の条件では、第一の導電性高分子層3B表面に白色の析出物が残存していた。3)の条件では、析出物が9割程度消失していた。4)の条件では、析出物が完全に消失した。これより、ペンタエリスリトールは、第一の導電性高分子層3B中において、予備乾燥2)の条件では析出物が確認されていたが、本乾燥180℃後では外観上は完全に消失しており、乾燥温度の上昇に伴い脱水重合反応が進行していることが確認できた。

コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは5.1mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.3倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.3倍であった。

(実施例7)
本乾燥を225℃で5分行ったこと以外は、実施例6と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、第一の導電性高分子層3Bの外観は、本乾燥後は、析出物など認められず、平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.45μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは4.7mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.3倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.2倍であった。

(実施例8)
本乾燥を265℃で1分行ったこと以外は、実施例6と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、第一の導電性高分子層3Bの外観は、本乾燥後は、析出物など認められず、平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.44μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは4.8mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.2倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.2倍であった。

(実施例9)
陽極体1として多孔質体タンタルを用いたこと以外は、実施例1と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、第一の導電性高分子層3Bの外観は、予備乾燥後以降から析出物など認められず、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.51μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは6.7mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.6倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.4倍であった。

(比較例1)
陽極体1として、エッチングにより拡面処理された3×4mmの多孔質体アルミニウム箔を用いて、誘電体層として、電解酸化によって酸化皮膜を形成した後、モノマー溶液とドーパント、酸化剤溶液からなる槽に数回浸漬を繰り返し、化学重合法によって、多孔質体細孔内部にポリ3,4−エチレンジオキシチオフェンからなる第二の導電性高分子層3Aを形成した。

次に、純水100gとポリスチレンスルホン酸(M.w.5万)2gからなる混合溶液に、3,4−エチレンジオキシチオフェンを1g投入して、常温で5分間攪拌した。その後、40wt%過硫酸アンモニウム水溶液を1ml/分ずつ5g投入して常温でさらに50h攪拌(1,000rpm)しながら酸化重合させ、ポリ3,4−エチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸からなる導電性高分子材料成分が約3wt%である高分子懸濁液を得た。

この高分子懸濁液を第二の導電性高分子層3A上に5μl滴下して10分間常温放置した。その後、予備乾燥を120℃で10分間行い、本乾燥を180℃で30分行うことで、第一の導電性高分子層3Bを形成した。さらに、グラファイト層5と銀導電性樹脂層6を形成して、コンデンサ素子を作製した。結果を表1に示す。

表1に示すように、高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は2.3μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、本乾燥後において比較的多く気泡が発生していて、平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.76μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは10.1mΩであり、耐熱試験後のESR変化は3.1倍であり、耐湿試験後のESR変化は3.4倍であった。

(比較例2)
比較例1で得られた高分子懸濁液を10g採取し、エチレングリコールを0.5g混合した後、30分間攪拌溶解させて、導電性高分子懸濁液を得た。

この導電性高分子懸濁液を第二の導電性高分子層3A上に5μl滴下して10分間常温放置した。その後、予備乾燥を120℃で10分間行い、本乾燥を180℃で30分行うことで、第一の導電性高分子層3Bを形成した。さらに、グラファイト層5と銀導電性樹脂層6を形成して、コンデンサ素子を作製した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は2.15μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.61μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは8.1mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.7倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.8倍であった。

(比較例3)
エチレングリコール0.5gに代えてグリセリンを0.5g混合して導電性高分子懸濁液を調製した以外は、比較例2と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は1.99μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、本乾燥後は平滑な膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.59μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは7.1mΩであり、耐熱試験後のESR変化は1.8倍であり、耐湿試験後のESR変化は1.7倍であった。

(比較例4)
エチレングリコール0.5gに代えてソルビトールを0.5g混合して導電性高分子懸濁液を調製した以外は、比較例2と同様に実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は1.73μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、本乾燥後において析出物は認められなかったが、若干気泡が発生していて、平滑に欠ける膜であった。第一の導電性高分子層3Bの膜密度は、0.67μm/ml・cmであった。コンデンサ素子の100kHzでの初期ESRは6.9mΩであり、耐熱試験後のESR変化は2.1倍であり、耐湿試験後のESR変化は2.7倍であった。

(比較例5)
エチレングリコール0.5gに代えてマンニトールを0.5g混合して導電性高分子懸濁液を調製した以外は、比較例2と同様にして、粒径分布測定、第一の導電性高分子層3Bの目視外観チェックを実施した。結果を表1に示す。

表1に示すように、導電性高分子懸濁液の粒径分布におけるD50値は1.91μmであった。第一の導電性高分子層3Bの外観は、本乾燥後において析出物が多量に認められ、平滑性に乏しかった。また、膜密度は測定不可能であり、コンデンサ素子の作製も断念した。

実施例1〜3、6〜9より、エリスリトールおよびペンタエリスリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)を混合することによって、導電性高分子懸濁液中の粒子が微粒子化して分散性が向上する。これによって形成した第一の導電性高分子層3Bは、高密度な膜となり、コンデンサ素子の初期ESRが低下し、耐熱および耐湿試験におけるESR上昇が飛躍的に抑制されることが分かった。

一方、何も添加しない比較例1では、このような効果が認められなかった。また、比較例2、3、4および5では、本発明のような飛躍的効果を得るには至らなかった。特に、比較例4の結果より、ソルビトールは耐熱および耐湿試験におけるESR上昇抑制効果が小さく、比較例5の結果より、マンニトールを用いた場合は導電性高分子層がうまく形成できなかった。

実施例1、2および3の結果より、化合物(A)の添加量が少なくても、化合物(A)を混合することで十分な効果を奏することが分かった。この結果から、化合物(A)の混合量をさらに低減することができる可能性も示唆されたといえる。実施例6の結果より、ペンタエリスリトールを用いた場合は高密度な膜が得られるため、初期ESRが低く、耐熱および耐湿試験におけるESR上昇抑制効果に優れることが分かる。

さらに実施例6、7および8より、本乾燥温度を上昇させることによってさらに高密度な膜が得られ、初期ESRが低く、耐熱および耐湿試験におけるESR上昇抑制効果に優れることが分かった。これは、高分子膜中での脱水重合反応が主として寄与していると考えられる。

以上の結果から、導電性高分子懸濁液に、エリスリトールおよびペンタエリスリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)を含有することによって、分散性の良好な導電性高分子懸濁液を与えることが分かった。そして、この導電性高分子懸濁液を用いることで、高密度で平滑な導電性高分子層の形成が可能となり、低ESRで良好な耐熱特性および耐湿特性を有する固体電解コンデンサを得るためには、本発明の構成が好適であることが分かった。

(実施例10)
実施例1、6および8、参考例1ならびに比較例1で調製した導電性高分子懸濁液を用いて、ガラス基板上に導電性高分子膜を形成した。分散媒を除去する温度は、同対応実施例における同じ条件(第一の導電性高分子層3Bの形成)で行った。

得られた、導電性高分子膜の外観(色、透明性)を観察した。続いて、この導電性高分子膜を純水中に1h浸漬し、耐水性(導電性高分子膜の膨潤、ガラス基板からの剥離)を評価した。その結果を表2に示した。

次いで、導電性高分子膜(表2、実施例1)のFTIR(フーリエ変換赤外分光法)分析を実施した。その結果、エリスリトール由来の水酸基のピークが消失しており、新たにエステルと推測されるスペクトルが確認された。これより有機構造が変化していることが分かった。

(実施例11)
市販されているポリスチレンスルホン酸水溶液(20wt%、M.w.50,000)を純水で1wt%に希釈した。この1wt%ポリスチレンスルホン酸水溶液を10g採取し、エリスリトールを1g混合し、常温で30分攪拌した。この溶液を、ガラス基板上に滴下して常温放置した。

次いで、エリスリトールのTG/DTA(示差熱分析)分析を行った。条件は、大気下で昇温10℃/分とした。その結果、120℃付近で融解のピークが観測された。次に、ガラス基板上の組成物を恒温槽内で段階的に昇温して、組成物の外観を確認した。その結果、組成物の外観は、125℃付近で透明になり、150℃付近で薄茶色に変化し、180℃付近でこげ茶色に変化した。

同時に、エリスリトールを含有しないポリスチレンスルホン酸のみの組成物でも確認した結果、組成物の外観は、180℃まで昇温してもほぼ変化せず薄黄色であった。

(実施例12)
エリスリトール1gに代えてペンタエリトリトールを0.3g混合した以外は、実施例11と同様に実施した。

ペンタエリトリトールのTG/DTA(示差熱分析)では、193℃付近で融解のピークが観測された。次に、ガラス基板上の組成物を、恒温槽内で段階的に昇温して組成物の外観を確認した結果、150℃付近で変化なし、180℃付近で薄茶色に変化し、225℃付近でこげ茶色に変化し、265℃付近で若干黒っぽいこげ茶色に変化した。

(実施例13)
ポリスチレンスルホン酸水溶液(20wt%、M.w.50,000)に代えて、市販されている水溶性ポリエステルスルホン酸樹脂(25wt%、M.w.28,000)を用いた以外は、実施例11と同様にして実施した。その結果、同温度付近で似た外観の変化が認められた。

(実施例14)
ポリスチレンスルホン酸水溶液(20wt%、M.w.50,000)に代えて、市販されているポリアクリル酸(45wt%、M.w.10,000)を用いた以外は、実施例11と同様にして実施した。その結果、同温度付近で似た外観の変化が認められた。

(実施例15)
市販品されている(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)とポリスチレンスルホン酸からなる導電性高分子溶液(固形成分量;約3.5wt%)を10g採取し、エリスリトールを1g混合した後、30分間攪拌して溶解させた。

この溶液を、ガラス基板上に滴下した後、180℃で30分乾燥して導電性高分子膜を形成した。外観は、濃青色から濃紺色に変化が認められた。次いで、実施例10と同様にして、耐水性の評価を行結果、極わずかな膨潤は見受けられたが、ガラス基板からの剥離は認められなかった。次いで、この導電性高分子膜のFTIR(フーリエ変換赤外分光法)分析を実施した結果、エリスリトール由来の水酸基のピークが消失しており、新たにエステルと推測されるスペクトルが確認でき、有機構造が変化していることが認められた。

参考例3
エリスリトール1gに代えてキシリトールを1g混合した以外は、実施例15と同様にして実施し、耐水性の評価を行った。その結果、膨潤および剥離は認められなかった。

(実施例17)
エリスリトール1gに代えてペンタエリスリトールを0.3g混合した以外は、実施例15と同様にして実施し、耐水性の評価を行った。その結果、膨潤および剥離は認められなかった。また、この膜は、水をはじく疎水性の表面に変化していた。

(実施例18)
エリスリトール1gだけでなく、ペンタエリスリトールを0.3g混合した以外は、実施例15と同様にして実施し、耐水性の評価を行った。その結果、膨潤および剥離は認められなかった。この膜は、水をはじく疎水性の表面に変化していた。

実施例10より、エリスリトールおよびペンタエリスリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)を含む導電性高分子懸濁液から分散媒を除去して得られた導電性高分子組成物は、外観変化(色、透明性)が認められるとともに、耐水性(膨潤性、ガラス基板からの剥離性)が飛躍的に向上していることが分かった。特に、ペンタエリスリトールを含む導電性高分子膜は、表面が疎水性に変化しており特異的な変化が認められた。同水酸基数のエリスリトールと比較すると、その骨格構造の相違が大きく影響しているものと考えられる。

また、FT−IR分析結果から水酸基のピーク消失に伴い、同様のスペクトルが認められたことから、ポリ酸成分との相互作用によって、有機構造の変化が生じていると考えられる。

ポリ酸成分を検討した実施例11および13より、主鎖の異なるポリスルホン酸においても同様の外観変化が確認されたことから、スルホン酸基と相互作用していることが示唆され、主鎖は特に制限されないものと考えられる。同様に、ポリアクリル酸を用いた実施例14でも同様の外観変化が確認されたことから、スルホン酸基と同様にカルボン酸基も相互作用していることが示唆され、ポリカルボン酸を用いることもできると考えられる。

実施例11および12より、エリスリトールおよびペンタエリスリトールの融解温度前後での組成物の外観変化を確認した結果、融解温度を超えた温度範囲で外観の変化が認められた。また、この外観変化は、実施例10の表2に記載した導電性高分子膜(実施例6、8)の外観変化に対応していることが確認できた。

実施例1517より、耐水性が向上し、特にペンタエリスリトールを含有した導電性高分子組成物は、表面が疎水性に変化し特異的であった。

実施例18より、エリスリトールとペンタエリトリトールを併用した場合は、ペンタエリトリトールのみを混合した場合と同様に、表面が疎水性に変化し水をはじいた。

以上のように、エリスリトールおよびペンタエリスリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)を含有させることによって、外観(色、透明性)の変化、耐水性が飛躍的に向上した導電性高分子組成物を与えることが明らかとなった。

1 陽極体
2 誘電体層
3 固体電解質層
3A 第二の導電性高分子層
3B 第一の導電性高分子層
4 陰極層
5 グラファイト層
6 銀導電性樹脂層

Claims (15)

  1. ポリ酸またはその塩からなるドーパントおよび導電性高分子を含む導電性高分子材料と、
    エリスリトールおよびペンタエリトリトールから選択される少なくとも一種の化合物(A)と、
    分散媒と
    を含む導電性高分子懸濁液。
  2. 前記導電性高分子材料が、前記ドーパントとして、ポリスルホン酸またはポリカルボン酸を含む請求項1に記載の導電性高分子懸濁液。
  3. 前記導電性高分子材料が、前記ドーパントとして、ポリスチレンスルホン酸またはポリエステルスルホン酸を含む請求項2に記載の導電性高分子懸濁液。
  4. 前記導電性高分子材料が、前記導電性高分子として、ピロール、チオフェン、アニリンおよびそれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも一種の単量体を重合して得られる重合体を含む請求項1〜3のいずれかに記載の導電性高分子懸濁液。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の導電性高分子懸濁液から、前記分散媒を除去して得られる導電性高分子組成物。
  6. 前記分散媒の除去を、前記化合物(A)の融解温度以上で行う請求項5に記載の導電性高分子組成物。
  7. 請求項5に記載の導電性高分子組成物を含む固体電解質層を有する固体電解コンデンサ。
  8. 弁作用金属からなる陽極体と、前記陽極体の表面に形成されている誘電体層とをさらに有し、前記誘電体層上に前記固体電解質層が形成されている請求項7に記載の固体電解コンデンサ。
  9. 前記弁作用金属が、アルミニウム、タンタルおよびニオブから選択される少なくとも1種である請求項7または8に記載の固体電解コンデンサ。
  10. 弁作用金属からなる陽極体の表面に誘電体層を形成する工程と、
    前記誘電体層上に、請求項1〜4のいずれかに記載の導電性高分子懸濁液を塗布または含浸し、前記導電性高分子懸濁液から前記分散媒を除去することで、第一の導電性高分子層を形成する工程と
    を有する固体電解コンデンサの製造方法。
  11. 前記第一の導電性導電性高分子層を形成する前に、
    前記誘電体層上に、化学酸化重合または電解重合により第二の導電性高分子層を形成する工程、をさらに有する請求項10に記載の固体電解コンデンサの製造方法。
  12. 前記第一の導電性高分子層を形成する工程における分散媒の除去を、前記化合物(A)の融解温度以上の温度で行う請求項10または11に記載の固体電解コンデンサの製造方法。
  13. 前記分散媒の除去を行う温度が、150℃以上270℃未満である請求項12に記載の固体電解コンデンサの製造方法。
  14. 前記誘電体層として、前記弁作用金属の酸化皮膜を形成する請求項10〜13に記載の固体電解コンデンサの製造方法。
  15. 前記弁作用金属が、アルミニウム、タンタルおよびニオブから選択される少なくとも1種である請求項10〜14のいずれかに記載の固体電解コンデンサの製造方法。
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