JP6199711B2 - 誘電体フィルムおよびフィルムコンデンサ - Google Patents

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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。近年、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、平滑化されてくる。
この場合、例えば、平滑化された誘電体フィルムの表面に金属膜を形成し、巻回させて、いわゆる巻回型のコンデンサを形成すると、金属膜の形成されていない誘電体フィルムの面と、誘電体フィルムおよび金属膜が一体化して巻回されることにより接するようになる金属膜の面とが密着しやすくなる。
誘電体フィルムと金属膜とが密着した状態になると、誘電体フィルムおよび金属膜が熱衝撃を受けたときなどに、両者の熱膨張率の違いによって、どちらかに亀裂や破れが生じ、誘電特性が低下するという問題が発生してしまう。
図3(a)は、従来の誘電体フィルムを模式的に示す斜視図であり、(b)は、(a)のA−A線断面図である。図3(a)(b)に示した従来の誘電体フィルム101は、凸部107側が上側(頂部側)に向けて緩やかに湾曲する形状の凹部105および凸部107が周期的に配置された構成を有している。なお、特許文献1および2においても同様の構成が開示されており、これにより表面摩擦抵抗を低減できることから、誘電体フィルム101の滑り性を改善できるとされている。
しかしながら、上記特許文献に開示されたような従来の誘電体フィルム101においても、誘電体フィルム101が薄層化されて、凸部107と凹部105との間の高低差(h)が小さくなった場合には、凸部105の頂部付近の面積が大きくなることから、誘電体フィルム101の表面103は、それ自身の他の部分や金属膜と密着しやすい状態になりやすく、依然として滑り性に難を有している。
特開2009−141293号公報 特開2013−207158号公報
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、滑り性の良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、有機樹脂を主成分とする誘電体フィルムであって、該誘電体フィルムの最も面積が大きい対向面の少なくともいずれか一方の表面に、平面方向に複数の凹部が繰り返し設けられ、前記誘電体フィルムを断面視したときに、前記凹部間は凸部となっており、該凸部は、頂部が平坦であるとともに、前記凹部に向けて湾曲する湾曲面を有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金属膜を有していることを特徴とする。
本発明によれば、滑り性の良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模式的に示す斜視図であり、(b)は、(a)のA−A線断面図である。 (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。 (a)は、従来の誘電体フィルムを模式的に示す斜視図であり、(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、有機樹脂を主成分とし、表面3に平面方向に凹部5が繰り返し設けられた構成を有するものである。また、誘電体フィルム1を断面視したときに、凹部5間は凸部7となっており、その凸部7の頂部7aが平坦であるとともに、凸部7の底部9側に向けて湾曲する湾曲面11を有している。
誘電体フィルム1の表面3に形成された凸部7は、その頂部7aの表面3が平坦であり、底部9側に向けて湾曲する湾曲面11を有するような形状であると、誘電体フィルム1が薄層化された場合にも、誘電体フィルム1の表面3に凹部5の形状が残りやすい。このため誘電体フィルム1が金属膜とともに巻回されたときに、両者が密着しても誘電体フィルム1の表面3に形成された凹部5によって形成される空隙により接着する面積が狭いものとなる。これにより誘電体フィルム1に接触する金属膜を密着し難くすることができ、滑り性の高いものとなる。
つまり、図3(a)(b)に示す上述した従来の誘電体フィルム101のように、表面103に形成された凸部107が上側(頂部側)に向けて緩やかに湾曲する形状となっている場合には、表面103が湾曲している分だけ平坦な面よりも凸部107の頂部における面積が大きいものとなる。誘電体フィルム101の表面103がこのような形状である場合に、誘電体フィルム101が薄層化されると、凸部107と凹部105との間の高低差(h)が小さくなると同時に、凸部107の頂部における曲率(半径)が大きくなることから、誘電体フィルム101の凸部107の頂部における面積はさらに広くなってくる。このため誘電体フィルム101は密着しやすくなり、滑り性が劣るものとなる。
これに対し、本実施形態の誘電体フィルム1は、図1(a)(b)に示すように、凸部7の頂部7aが平坦であるため、凸部7の表面3が湾曲している構造に比べて凸部7の面積が狭いものとなっている。
また、本実施形態の誘電体フィルム1では、凸部7が底部9側に向けて湾曲する湾曲面11を有する構造となっていることから、誘電体フィルム1が薄層化され、凹部5の深さが浅くなっても凹部5には空隙が残りやすく、密着する面積が拡大し難い。このため誘電体フィルム1は密着し難いものとなり、滑り性が向上する。このような構造の誘電体フィルム1としては、厚み(平均厚み)が0.5〜3μmであるような薄い誘電体フィルム1に好適なものとなる。
ここで、有機樹脂を主成分とするとは、誘電体フィルム1中に有機樹脂が70体積%以上含まれている場合をいい、有機樹脂の他に、セラミック粒子などの高誘電率材料を含んでいても良い。
誘電体フィルム1の表面3に凹部5および凸部7が形成された状態というのは、誘電体フィルム1の表面粗さを測定したときに、凸部7と凹部5(凸部7の頂部7aと凹部7の底5a)との間の高低差が50nm以上であるものをいう。
このような表面構造を有する誘電体フィルム1の場合、表面3の密着性をさらに低減できるという点で、誘電体フィルム1を平面視したときの凹部5の総面積Aが頂部7aの総面積Bよりも広いことが望ましい。ここで、凹部5の総面積Aは、誘電体フィルム1の単位面積となる所定の領域における凹部5の面積を合計したものを言い、一方、凸部7の総面積Bとは、同じ領域において、凹部5の総面積Aの部分を除いた領域のことを言う。
また、本実施形態の誘電体フィルム1では、凸部7の頂部7a同士を結ぶ面が略面一であることが望ましい。誘電体フィルム1に形成された凸部7の高さの位置が異なるような場合には、その表面3に金属膜を形成した後に行われる扁平化処理の後に、凸部7が平坦化されると同時に凹部7の深さが浅くなり、表面3の面積が大きくなりやすい。これに対し、凸部7の頂部7a同士を結ぶ面が元々略面一であると、扁平化処理後においても凹部5および凸部7の変形が少ないため、誘電体フィルム1の凸部7の頂部7aの面積が維持され、加工工程においても誘電体フィルム1の密着性が高くなるのを抑えることができる。
ここで、略面一であるとは、誘電体フィルム1を定盤などの平坦面に載せたときの表面3の高さの位置が20nm以下である場合をいう。
誘電体フィルム1の凹部5および凸部7は、例えば、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて検知することができる。
図2は、(a)は、誘電体フィルムの両面に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の両面に金属膜21を備えている構成を基本構造とする本体部23により構成されている。この本体部23は、誘電体フィルム1の滑り性が高いために、長尺状の誘電体フィルム1と金属膜21とが巻回された巻回型のフィルムコンデンサに適している。
このフィルムコンデンサは外部電極24に端子としてさらにリード線25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25を有しない構造が望ましい。また、本体部23、外部電極24およびリード線25の一部は絶縁性および耐環境の点から外装部材26に覆われていてもよい。
次に、本実施形態の誘電体フィルムおよび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、有機樹脂シート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用のスラリとしては、有機樹脂を溶剤に溶解させて調製した樹脂スラリを用いる。このとき、スラリは塗工後の乾燥過程でマランゴニ対流が発生する固形分濃度に調整しておくのが良い。この場合のスラリの固形分濃度としては、10〜20質量%の範囲としておくことが望ましい。これにより誘電体フィルム1における凸部7の頂部7aが平坦であるとともに、凸部7の底部9側に向けて湾曲する湾曲面11を有する誘電体フィルム1を得ることができる。このような製法により得られる誘電体フィルム1の凸部7は、頂部7aの幅が50nm以下と薄く、凸部7は凹部5の輪郭であるような構造となっている。これにより誘電体フィルム1の表面3には、多くの凹部5が密接するように形成されることから、誘電体フィルム1の厚みが薄くなっても凹部5が残りやすいものとなる。
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金属膜21を形成し、次いで、金属膜21を形成した誘電体フィルム1を巻回させてフィルムコンデンサの本体部23を得る。
次に、本体部23の金属膜21が露出した端面に外部電極24を形成する。外部電極24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24にリード線25を形成しても良い。次いで、外部電極24(リード線25を含む)を形成した本体部23の表面に外装樹脂26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、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、この樹脂(COP)をシクロヘキサンを主成分とする溶剤に溶解させてスラリを調製した。このときのスラリの固形分濃度は10〜20質量%の範囲であり、加熱したときにマランゴニ対流が見られた。
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。凸部の頂部が平坦であるとともに、凸部の底部側に向けて湾曲する湾曲面を有するものであった(試料1)。
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。
誘電体フィルムおよび金属膜の平均厚みは作製した試料(金属膜付き誘電体フィルム)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。
誘電体フィルムの密着強度は、クロスカット法(JISK5600−5−6)を用いて評価した。カッターを用いて誘電体フィルムの表面に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。誘電体フィルムの剥離状態は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。
試料1の誘電体フィルムにおける膜の表面形態は、原子間力顕微鏡(AFM)により確認した。凹部と凸部との高低差が約60nmあった。また、この誘電体フィルムは凸部同士を結ぶ面が略面一となっていた。また、誘電体フィルムを平面視したときの凹部の総面積が頂部の総面積よりも10%ほど大きいものであった。これらの測定は2mm×2mm以下の領域にて行った。
また、試料1の誘電体フィルムの作製に用いたスラリよりも溶剤量を減らしてスラリ粘度を1.5倍にしたスラリから誘電体フィルムを作製した。この試料2の誘電体フィルムは、誘電体フィルムを平面視したときの凹部の総面積が頂部の総面積よりも5%ほど小さいものであった(試料2)。
比較例として、固形分濃度が25〜35重量%のスラリを用いて誘電体フィルムを作製し、上記と同様の評価を行った。このとき調製したスラリは加熱してもマランゴニ対流は見られず、作製した誘電体フィルムの表面粗さは10nm以下であり、表面に凹部および凸部のほとんど見られないものであった(試料3)。
また、比較例の誘電体フィルムを作製するために調製したスラリを凹凸を有するロールに接触させて成形した誘電体フィルムも作製した(試料4)。
作製した誘電体フィルムについて、それぞれ密着強度を評価した。試料1の誘電体フィ
ルムは、クロスカット法による5段階の評価で段階5であったが、試料2の誘電体フィルムは、段階4であり、いずれも密着強度が低く、滑り性の良いものであった。一方、比較例である試料3の誘電体フィルムは段階1であった。また、凹凸を有するロールに接触させて成形した試料4の誘電体フィルムは段階2であり、これらは試料1および試料2に比較して密着強度が高く、滑り性に劣るものであった。
1、101・・・・・・・誘電体フィルム
3、103・・・・・・・表面
5、105・・・・・・・凹部
5a・・・・・・・・・・(凹部の)底
7、107・・・・・・・凸部
7a・・・・・・・・・・(凸部の)頂部
9・・・・・・・・・・・(凸部の)底部
11・・・・・・・・・・湾曲面
23・・・・・・・・・・本体部
24・・・・・・・・・・外部電極
25・・・・・・・・・・リード
26・・・・・・・・・・外装部材

Claims (4)

  1. 有機樹脂を主成分とする誘電体フィルムであって、
    該誘電体フィルムの最も面積が大きい対向面の少なくともいずれか一方の表面に、平面方向に複数の凹部が繰り返し設けられ、
    前記誘電体フィルムを断面視したときに、前記凹部間は凸部となっており、該凸部は、頂部が平坦であるとともに、前記凹部に向けて湾曲する湾曲面を有していることを特徴とする誘電体フィルム。
  2. 平面視したときの前記凹部の総面積が前記頂部の総面積よりも広いことを特徴とする請求項1に記載の誘電体フィルム。
  3. 前記頂部同士を結ぶ面が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. 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の表面に金属膜を有していることを特徴とするフィルムコンデンサ。
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