JP6441583B2 - 誘電体フィルムおよびフィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、誘電体フィルムと、これを用いたフィルムコンデンサに関する。

電子機器の進歩は、それらを構成する部品の性能向上に負うところが大きい。このような中で、フィルムコンデンサは、パワーコンディショナーなどの直流・交流機器用途において、静電容量の大幅な向上が望まれている（例えば、特許文献１を参照）。

フィルムコンデンサの単位体積当たりの静電容量を向上させるには、誘電体フィルムに比誘電率の高い材料を用いるかまたは誘電体フィルムを薄層化することが選択肢となる。

例えば、特許文献２では、誘電体フィルムとして、エポキシ基を有する有機樹脂にセラミック粒子を分散させた複合誘電体を適用させることが提案されている。

ところが、有機樹脂にセラミック粒子を分散させた上記の誘電体フィルムでは、誘電体フィルムに電界が印加されると、その電界は主としてセラミック粒子の周囲に集中してしまい、有機樹脂側で電界強度が高くなることから、誘電体フィルム全体としての破壊電界強度が低下してしまうという問題を有している。

特開２００８−７８１６８号公報 特開２００６−２２５４８４号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、破壊電界強度を高めることのできる誘電体フィルムと、こ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、有機樹脂中に、表面付近にアルキル基を有し、非晶質かつ粒子状の金属酸化物を有し、前記有機樹脂と前記金属酸化物との間に前記有機樹脂と前記金属酸化物との混和相を有す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主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、破壊電界強度の高い誘電体フィルムおよびフィルムコンデンサを得ることができる。

本発明の誘電体フィルムの一例を部分的に示す透過電子顕微鏡写真である。 本実施形態の誘電体フィルムの断面を部分的に拡大した透過電子顕微鏡写真である。 本実施形態の誘電体フィルムの電子線回折像を示す写真である。 従来の誘電体フィルムを部分的に示す断面模式図である。 図４に示した従来の誘電体フィルムを構成するセラミック粒子と有機樹脂との界面における比誘電率および電界強度の変化を示す模式図である。 図１に示した誘電体フィルムにおける、アモルファス状を成す粒子状の金属酸化物と有機樹脂との界面における比誘電率および電界強度の変化を示す模式図である。 誘電体フィルムの両面に電極層を有する金属化フィルムを模式的に示す断面図である。 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は、本発明の誘電体フィルムの一例を部分的に示す透過電子顕微鏡写真である。図２は、本実施形態の誘電体フィルムの断面を部分的に拡大した透過電子顕微鏡写真である。図３は、本実施形態の誘電体フィルムの電子線回折像を示す写真である。

本実施形態の誘電体フィルム１は、有機樹脂３中に、非晶質を成す粒子状の金属酸化物５を有する構成となっている。有機樹脂３中に分散させる粒子状の金属酸化物５として、非晶質のものを用いた場合には、粒子状の金属酸化物５として結晶質のものを用いたときよりも破壊電界強度の高い誘電体フィルム１を得ることができる。

ここで、粒子状とは、所定の形状で塊になったものを言うが、本実施形態においては、図２に示すように、電子顕微鏡等による観察を行ったときに、母相（ここでは、有機樹脂３に相当）とは異なる組織体として確認できるものまで含む意味である。形状の例としては、球状体や多面体に止まらず、これらを基本的な形状として扁平状となったものや表面に凹凸を有しているものまで含む意味である。以下、非晶質を成す粒子状の金属酸化物５のことを単に金属酸化物５と記す場合がある。また、金属酸化物５が非晶質とは、規則的な格子構造を有しない状態をいい、電子線回折を行ったときに、回折図形として図３に示すようなハロー回折が見られるものを言う。

以下、本実施形態の誘電体フィルム１が高い破壊電界強度を示す理由を、図４および図５に示すセラミック粒子を含む従来の誘電体フィルムと対比して説明する。

図４は、従来の誘電体フィルムを部分的に示す断面模式図である。図５は、図４に示した従来の誘電体フィルムを構成するセラミック粒子と有機樹脂との界面における比誘電率および電界強度の変化を示す模式図である。

図４に示すような有機樹脂１３中に結晶質のセラミック粒子１５を有する誘電体フィルム１１では、有機樹脂１３とセラミック粒子１５との間の界面付近における格子の不整合や両材料間での比誘電率（ε_１、ε_２）の違いから、図５に示すように、有機樹脂１３とセラミック粒子１５との間に誘電率の急峻な変化が生じやすい。このため有機樹脂１３とセラミック粒子１５との間の誘電率の変化に起因する局所的な電界強度の変化が急峻となりやすく、このため誘電体フィルム１１の破壊電界強度が低くなってしまう。

これに対し、本実施形態の誘電体フィルム１の場合には、これに含まれる金属酸化物５が非晶質であることから、これを取り巻いている有機樹脂３との間の親和性が結晶性のセラミック粒子１５の場合よりも高まる。このため、金属酸化物５が非晶質である場合には、結晶性のセラミック粒子１５との間で起こるほどの格子の不整合が生じ難く、有機樹脂３との界面が混和した状態となりやすい。その結果、図６に示すように、有機樹脂３と金属酸化物５との間の結合形態の違いによる不整合部分の割合を少なくすることができ、有機樹脂３と金属酸化物５との間にこれらが混和した相５ａが形成されていることから金属酸化物５から有機樹脂３にかけて誘電率がε_１、ε_２、ε_３の順に次第に変化するような構造となる。その結果、界面における局所的な電界強度の増大が緩和され、また、絶縁破壊の起点となる欠陥の生成が抑えられるため破壊電界強度を高めることができる。

また、本実施形態の誘電体フィルム１では、上記した金属酸化物５は、誘電体フィルム１を断面視したときの形状が楕円状であり、そのアスペクト比は１．８以上であることが望ましい。金属酸化物５の形状が楕円状であり、そのアスペクト比が１．８以上であるときには、誘電体フィルム１の破壊電界強度を４１０ＭＶ／ｍ以上にすることができる。この場合、金属酸化物５の平均粒子径としては、１０〜１００ｎｍ、特に、２０〜５０ｎｍであることが望ましい。

また、本実施形態の誘電体フィルム１では、金属酸化物５の長径の方向が誘電体フィルム１の主面に対して平行になるように配列している金属酸化物の個数割合が９６％以上であることが望ましい。長径の方向が揃うように配列している金属酸化物の個数割合が９６％以上であると、比誘電率（εｒ）と破壊電界強度（ＢＤＥ）の二乗との積である性能指数（εｒ・ＢＤＥ^２）を４２０×１０^３以上に高めることができる。

なお、金属酸化物５の長径の方向が誘電体フィルム１の主面に対して平行になるように配列している状態というのは、誘電体フィルム１を図１および図２を例とするように断面視したときに、楕円状をした金属酸化物５の長径の方向が誘電体フィルム１の主面の方向（図１および図２において横の方向）に向いた状態を言うが、この場合、金属酸化物５の長径の方向が誘電体フィルム１の主面に対して±４５°以内にあるものまで含む意味である。

ここで、有機樹脂１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２．３〜３．０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５を形成する元素としては、周期表第４族から第１２族の元素から選ばれる少なくとも１種の元素が望ましいが、これらの元素の中で、誘電体フィルム１の比誘電率および上記した性能指数を高められるという理由から、特に、チタン（Ｔｉ）が好ましい。

図７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る。図８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の主面に電極層２２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、矩形状の誘電体フィルム１と電極層２２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２２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。これら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１６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１およびこれを用いたフィルムコンデンサを製造する方法について説明する。

誘電体フィルム１は、まず、有機樹脂３を溶解させたスラリを用意し、これに上記した金属元素を含む金属アルコキシド化合物を所定量添加する。

次に、金属アルコキシド化合物を含むスラリを撹拌することによって金属アルコキシド化合物に加水分解反応を発生させ、有機樹脂３中に非晶質を成す粒子状の金属酸化物５が分散したスラリを得ることができる。

次に、調製したスラリを用いてシート成形を行って本実施形態の誘電体フィルム１を作製する。シート成形には、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のが良い。

上記の製法によれば、金属アルコキシド化合物から金属酸化物５を形成する際に、室温付近の温度で加水分解反応を発生させた後も、焼成のような高温での反応を伴わないことから、粒成長した金属酸化物５は、依然として結晶化せずに非晶質の状態を維持したものとなる。また、金属酸化物５は周囲に有機樹脂３が存在する環境下で粒成長することになるため金属酸化物５の表面付近は有機樹脂３と混ざり合った状態である。こうして本実施形態の誘電体フィルム１を形成することができる。このようにして得られる誘電体フィルム１は、金属酸化物５の表面付近にアルキル基を有するものとなっており、金属酸化物５がこのように有機官能基を有するものであるため、有機樹脂３との混和しやすいものとなる。その結果、金属酸化物５と有機樹脂３との界面の整合性が高く、接合界面での構造欠陥が少ないものとなる。

なお、金属酸化物５の個数割合はスラリ中に添加する金属アルコキシド化合物の添加量によって調整する。

金属酸化物５が表面付近に偏在した誘電体フィルム１は、スラリの粘度および成形速度を調整し、スラリにマランゴニ対流を発生させることによって得ることができる。

有機樹脂３中に含まれる金属酸化物５がネックで繋がれた粒子群５Ａとなるようにするときには、添加する金属アルコキシド化合物の濃度を高くする。

次に、作製した誘電体フィルム１の主面にＡｌ（アルミニウム）などの金属を蒸着することによって電極層２２を形成し、次いで、電極層２２を形成した金属化フィルムを積層または巻回してフィルムコンデンサの本体部２３を作製する。

次に、本体部２３の電極層２２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。

以下、具体的な材料の選択により誘電体フィルムを作製し、特性評価を行った。

まず、金属アルコキシド化合物としてチタン（Ｔｉ）およびジルコニウム（Ｚｒ）のアルコキシド化合物を準備し、有機樹脂としてシクロオレフィンポリマーを用意した。希釈剤としてはシクロヘキサンを用いた。

次に、シクロオレフィンポリマーをシクロヘキサン中に溶解させてスラリを調製し、これに所定量の金属アルコキシド化合物を添加した。

次いで、このスラリを大気中、室温（２５℃）付近の温度にて撹拌することにより、金属アルコキシド化合物に加水分解反応を発生させて、有機樹脂中に非晶質を成す粒子状の金属酸化物を形成した。

次に、金属酸化物を含むスラリーをコーターを用いてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上に塗布してシート状に成形した。

作製した誘電体フィルム中に形成されていた非晶質を成す粒子状の金属酸化物はいずれも形状が楕円状であった。

次に、作製した誘電体フィルムについて以下の評価を行った。

作製した誘電体フィルムの平均厚みは、その一部を切り取り、１０等分した領域を測定した平均値より求めた。誘電体フィルムの平均厚みはいずれも４μｍとなるものであった。

誘電体フィルム中に形成されている金属酸化物の粒子径（最大径）、アスペクト比、配向した粒子の個数割合は、誘電体フィルムの断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて評価した。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたときの観察領域は約６μｍ^２とし、２カ所評価したときの平均値から求めた。

金属酸化物の結晶性は透過電子顕微鏡に付設の電子線回折を用いて評価した。

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。

次に、得られた誘電体フィルムについて、破壊電界強度（ＡＣ−ＢＤＥ）および比誘電率を測定した。

破壊電界強度（ＡＣ−ＢＤＥ）は、誘電体フィルムの電極層間に商用周波数（６０Ｈｚ）、毎秒１０Ｖの昇圧速度で電圧を印加し、漏れ電流値が１．０ｍＡを越えた瞬間の電圧値から求めた。

比誘電率は、ＬＣＲメーターを使用して測定した。具体的には、作製した誘電体フィルムの電極層間の短絡の有無を確認した後、ＬＣＲメーターにより周波数１ＫＨｚ、入力信号レベル１．０Ｖｒｍｓの測定条件にて、誘電体フィルムの静電容量と誘電損失を測定した。この後、静電容量、電極層の有効面積（誘電体フィルムの両面で電極層が重なった面積）および誘電体フィルムの厚みから比誘電率を算出した。なお、比誘電率と耐電圧の二乗との積を性能指数として求めた。

比較例として、金属アルコキシド化合物を添加しなかった試料（試料Ｎｏ．１）および金属酸化物として結晶性のセラミック粒子（ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２）を含ませた試料（試料Ｎｏ．６、７）を作製し、同様の評価を行った。

表１の結果から明らかなように、誘電体フィルム中に非晶質を成す粒子状の金属酸化物（ＴｉＯ_２）を分散させた試料（試料Ｎｏ．２〜５）は、耐電圧（ＡＣ−ＢＤＥ）が４０５ＭＶ／ｍ以上、性能指数が４０２×１０^３以上であった。

この中で、非晶質を成す粒子状の金属酸化物のアスペクト比が１．８以上であった試料（試料Ｎｏ．２〜４）では、破壊電界強度が４１０ＭＶ／ｍ以上、性能指数が４０６×１０^３以上であった。また、チタン（Ｔｉ）を含む金属酸化物で粒子群を形成した試料（試料Ｎｏ．３、４）では、金属酸化物の配向した粒子の割合が９６％以上と高く、性能指数が４２０以上であった。

さらに、非晶質を成す粒子状の金属酸化物（ＴｉＯ_２）を含ませた試料（試料Ｎｏ．２〜５）の比誘電率は２．３以上であった。

これに対し、誘電体フィルム中に非晶質を成す粒子状の金属酸化物（ＴｉＯ_２）を含まない試料（試料Ｎｏ．１）およびセラミック粒子（この場合、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２）を分散させた試料（試料Ｎｏ．６、７）では、耐電圧が４０３ＭＶ／ｍ以下、性能指数が３６５以下であった。また、非晶質を成す粒子状の金属酸化物（ＴｉＯ_２）を含まない試料（試料Ｎｏ．１）の比誘電率は２．２５と低かった。

１、１１・・・・・誘電体フィルム
３、１３・・・・・有機樹脂
５・・・・・・・・非晶質を成す粒子状の金属酸化物
５Ａ・・・・・・・粒子群
１５・・・・・・・セラミック粒子
２２・・・・・・・電極層
２３・・・・・・・本体部
２４・・・・・・・外部電極
２５・・・・・・・リード
２６・・・・・・・外装部材

Claims (5)

1. 有機樹脂中に、表面付近にアルキル基を有し、非晶質かつ粒子状の金属酸化物を有し、前記有機樹脂と前記金属酸化物との間に前記有機樹脂と前記金属酸化物との混和相を有することを特徴とする誘電体フィルム。
2. 前記金属酸化物は、前記誘電体フィルムを断面視したときの形状が楕円状であるとともに、アスペクト比が１．８以上であ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. 前記金属酸化物は、その長径の方向が前記誘電体フィルムの主面に対して平行になるように配列している個数割合が９６％以上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. 電子線回折で得られる回折図形が、ハローパターン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主面に電極層を有していることを特徴とするフィルムコンデンサ。