JP6633834B2 - 圧電膜、およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はフッ化ビニリデン（PDF）とトリフルオロエチレン（TrFE）の共重合体P(VDF/TrFE)になる圧電膜であって、分子量を６０万／ｍｏｌ以上とし、圧電性（強誘電性）を保持できる上限温度（キュリー点）を目安とする耐熱性と、破断歪みを目安とする耐変形性とを向上させた圧電膜、およびその製造方法に関する。
強誘電性高分子であるフッ化ビニリデン（PDF）とトリフルオロエチレン（TrFE）の共重合体 P(VDF/TrFE) は、優れた圧電特性と大きい自発分極(残留分極)をもち、柔軟性、加工性を生かした圧電センサー・トランスジューサ、赤外線焦電センサーなど種々の素子・デバイスへの応用が検討されている。特許文献１、特許文献２には、共重合体 P(VDF/TrFE)と水酸化フラーレン、カーボンナノチューブの混合物（ブレンド）の圧電膜に関して公開されている。
従来の強誘電性高分子P(VDF/TrFE)共重合体は、耐熱性と耐変形性に劣るという欠点を有しており、各種の用途に対して、不十分な特性であった。特許文献１、特許文献２に記載された、共重合体 P(VDF/TrFE)のブレンド膜に用いられる圧電膜は、VDF/TrFE が、７５／２５モル％の圧電膜であって、耐変形性に劣っており、また耐熱性も不十分という問題点があった。
本発明の課題は、圧電膜の耐熱性、および耐変形性が、従来の圧電膜よりも優れた圧電膜及びその製造方法を提供することである。
本発明の請求項１の圧電膜は、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体からなる圧電膜であって、フッ化ビニリデンが、８２モル％以上から８６モル％以下の範囲であって、分子量が６０万／ｍｏｌ以上である圧電膜であって、前記圧電膜は、耐熱性が１４０℃以上であり、破断歪みが、８％以上から５５％以下の範囲にあって耐変形性に優れていることを特徴とする圧電膜である。
フッ化ビニリデンが、８２モル％未満であると、圧電特性が低下する不具合が生じ、また、フッ化ビニリデンが、８６モル％を超えると、同じく圧電特性が低下する不具合が生じる。
また、分子量が６０万／ｍｏｌ未満であると、圧電膜の耐変形性が低下する不具合が生ずる。
また、分子量が６０万／ｍｏｌ未満であると、圧電膜の耐変形性が低下する不具合が生ずる。
熱処理温度が、１４０℃未満であると、熱処理温度の不足により、十分な圧電特性が発生しない不具合が生じ、また熱処理温度が、１５０℃を超えると、圧電膜を劣化させる不具合が生ずる。
本発明の請求項２の圧電膜の製造方法は、フッ化ビニリデンが、８２モル％以上から８６モル％以下の範囲であって、分子量が６０万／ｍｏｌ以上であるフッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体と溶媒との溶液を、基板に塗布して、乾燥し、前記乾燥して形成した共重合体の膜を、１４０℃以上から１５０℃以下の温度範囲にて熱処理し、結晶化して、圧電特性を発生させる圧電膜の製造方法であって、前記圧電膜は、耐熱性が１４０℃以上であり、破断歪みが、８％以上から５５％以下の範囲にあることを特徴とする圧電膜の製造方法である。
請求項１の圧電膜によれば、耐熱性、耐変形性が、従来の圧電膜よりも優れた圧電膜を提供することができる。
請求項２の圧電膜の製造方法によれば、従来よりも優れた耐熱性、耐変形性を有する圧電膜の製造方法を提供することができる。
本発明によれば、圧電膜の耐熱性、および耐変形性が、従来の圧電膜よりも優れた圧電膜及びその製造方法を提供することである。
本発明の実施の形態による圧電膜は、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体からなる圧電膜であって、フッ化ビニリデンが、８２モル％以上から８６モル％以下の範囲であって、分子量が６０万／ｍｏｌ以上であることを特徴とする圧電膜である。
前記圧電膜は、基板に塗布して、乾燥し、前記乾燥して形成した共重合体の膜を１４０℃以上から１５０℃以下の温度範囲にて熱処理し、結晶化して、圧電特性を発生させている。
前記圧電膜は、基板に塗布して、乾燥し、前記乾燥して形成した共重合体の膜を１４０℃以上から１５０℃以下の温度範囲にて熱処理し、結晶化して、圧電特性を発生させている。
前記圧電膜は、耐熱性が１４０℃以上であり、破断歪みが、８％以上から５５％以下の範囲にあって、耐変形性に優れている。
本発明の実施の形態による圧電膜の製造方法は、フッ化ビニリデンが、８２モル％以上から８６モル％以下の範囲であって、分子量が６０万／ｍｏｌ以上であるフッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体と溶媒との混合物を、基板に塗布して、乾燥し、前記乾燥して形成した共重合体の膜を、１４０℃以上から１５０℃以下の温度範囲にて熱処理し、結晶化して、圧電特性を発生させたことを特徴とする。
前記圧電膜は、耐熱性が１４０℃以上であり、破断歪みが、８％以上から５５％以下の範囲にある。
（実施例１）
図１は、圧電膜の製造方法の工程フロー図である。圧電膜の製造工程は、調液工程→塗布工程→乾燥工程→熱処理、結晶化→電極形成→分極の順番にて実施され、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）圧電膜が作製される。
図１は、圧電膜の製造方法の工程フロー図である。圧電膜の製造工程は、調液工程→塗布工程→乾燥工程→熱処理、結晶化→電極形成→分極の順番にて実施され、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）圧電膜が作製される。
個々の工程の詳細な説明について、以下列記する。
調液工程
フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）と、トリフルオロエチレン（ＴｒＦＥ）との共重合体と、溶媒（ＤＭＦ）との溶液を作製する。
塗布工程
基板となるＰＥＴ基材を準備し、前記ＰＥＴ基材の上に、前記溶液を塗布する。常温での乾燥時の塗布膜の厚みは、５０μｍである。
乾燥工程
ホットプレートを使用し、８０℃、１時間、ドラフト内で、大気下にて、塗布された膜を乾燥する。
熱処理、結晶化
オーブンにて、１４０℃以上から１５０℃以下の温度範囲にて膜を熱処理し、結晶化し、圧電特性を発生させる。
電極形成
抵抗加熱式の真空蒸着機を使用し、気圧1〜3×10-5Paの範囲にてアルミを加熱蒸発させ、膜の両面に電極被膜を形成する。
分極
分極処理は、膜をシリコンオイル中に配置し、膜両面の電極間に直接、振幅120MV/m、周波数50mHzの三角波を5周期以上印加し行う。
調液工程
フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）と、トリフルオロエチレン（ＴｒＦＥ）との共重合体と、溶媒（ＤＭＦ）との溶液を作製する。
塗布工程
基板となるＰＥＴ基材を準備し、前記ＰＥＴ基材の上に、前記溶液を塗布する。常温での乾燥時の塗布膜の厚みは、５０μｍである。
乾燥工程
ホットプレートを使用し、８０℃、１時間、ドラフト内で、大気下にて、塗布された膜を乾燥する。
熱処理、結晶化
オーブンにて、１４０℃以上から１５０℃以下の温度範囲にて膜を熱処理し、結晶化し、圧電特性を発生させる。
電極形成
抵抗加熱式の真空蒸着機を使用し、気圧1〜3×10-5Paの範囲にてアルミを加熱蒸発させ、膜の両面に電極被膜を形成する。
分極
分極処理は、膜をシリコンオイル中に配置し、膜両面の電極間に直接、振幅120MV/m、周波数50mHzの三角波を5周期以上印加し行う。
（実施例２）
表１は、実施例（発明品１，２）の圧電膜の、引張り強さ、破断歪み、弾性率の数値と、比較例（１，２，３）の圧電膜の、引張り強さ、破断歪み、弾性率の数値との比較一覧表を示す。
表１は、実施例（発明品１，２）の圧電膜の、引張り強さ、破断歪み、弾性率の数値と、比較例（１，２，３）の圧電膜の、引張り強さ、破断歪み、弾性率の数値との比較一覧表を示す。
表１より、分子量が６０万／ｍｏｌ以上である発明品１、発明品２の圧電膜は、引張り強さが約４０ＭＰａであり、破断歪みが２０〜５０％（発明品１）、１０〜４０％（発明品２）である。一方、分子量が３５．２万／ｍｏｌ以下である比較品１、比較品２の圧電膜は、引張り強さが約４０ＭＰａであり、破断歪みが５〜１５％（発明品１）、３〜７％（発明品２）である。明らかに、発明品１、発明品２の圧電膜が、比較品よりも、破断歪みの値が高く、耐変形性に優れていることがわかる。
図２は、圧電膜（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）（８５／１５））の応力（ＭＰａ）対歪（％）の関係を示すグラフである。分子量が大きいほど破断歪みが大きく、引っ張り強さが大きいつまり耐変形性に優れていることがわかる。分子量６０万／ｍｏｌ以上の２サンプルは、破断歪みは１８％以上で、分子量３５万／ｍｏｌの２サンプルの８％以下の倍以上の耐変形性がある。
（実施例３）
図３は、圧電膜（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）の各配合比の試料に関する、熱特性である。図３にて、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が、５９／４１，７５／２５，８１／１９の試料では、１４１℃以下にキュリー点に相当する吸熱ピークが存在している。
注） キュリー点
圧電性を示す強誘電相から、圧電性を示さない常誘電相への相転移温度一方、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が、８５／１５である２つの試料に関しては、融点である１５９℃までキュリー点に相当する吸熱ピークが無い。この結果より、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が８５／１５の試料は、高温耐熱性が優れていることが確認された。
図３は、圧電膜（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）の各配合比の試料に関する、熱特性である。図３にて、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が、５９／４１，７５／２５，８１／１９の試料では、１４１℃以下にキュリー点に相当する吸熱ピークが存在している。
注） キュリー点
圧電性を示す強誘電相から、圧電性を示さない常誘電相への相転移温度一方、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が、８５／１５である２つの試料に関しては、融点である１５９℃までキュリー点に相当する吸熱ピークが無い。この結果より、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が８５／１５の試料は、高温耐熱性が優れていることが確認された。
図４は、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が８５／１５（高分子量）の試料と、７５／２５の試料の耐熱性の目安の一つであるキュリー点の比較データである。８５／１５（高分子量）結晶化膜の試料は、７５／２５結晶化膜の試料よりも、３０℃以上耐熱性が良いことが確認された。
（実施例４）
表２は、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が８５／１５（高分子量）の試料と、７５／２５の試料の、圧電特性、耐熱性（キュリー点）の比較表である。耐熱性に関しては、発明品３は、１５６℃であり、比較品３，４，５の１２０℃〜１３０℃と比較して優れている。
一方、圧電特性に関しては、発明品３と、比較品３，４，５とは同等である。
表２は、圧電膜のＶＤＦ／ＴｒＦＥの比率が８５／１５（高分子量）の試料と、７５／２５の試料の、圧電特性、耐熱性（キュリー点）の比較表である。耐熱性に関しては、発明品３は、１５６℃であり、比較品３，４，５の１２０℃〜１３０℃と比較して優れている。
一方、圧電特性に関しては、発明品３と、比較品３，４，５とは同等である。
本発明によれば、耐熱性、および耐変形性が、従来の圧電膜よりも優れた圧電膜及びその製造方法を得ることができ、圧電膜を産業用の用途、自動車産業の用途（一具体例として、本圧電膜をタイヤの内面に配置して、タイヤに掛かる応力を測定するなど）に応用することができ、産業の発展に寄与する。
Claims (2)
- フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体からなる圧電膜であって、
フッ化ビニリデンが、８２モル％以上から８６モル％以下の範囲であって、
分子量が６０万／ｍｏｌ以上である圧電膜であって、
前記圧電膜は、耐熱性が１４０℃以上であり、
破断歪みが、８％以上から５５％以下の範囲にあって耐変形性に優れていることを特徴とする圧電膜。 - フッ化ビニリデンが、８２モル％以上から８６モル％以下の範囲であって、分子量が６０万／ｍｏｌ以上であるフッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体と溶媒との溶液を、基板に塗布して、乾燥し、前記乾燥して形成した共重合体の膜を、１４０℃以上から１５０℃以下の温度範囲にて熱処理し、結晶化して、圧電特性を発生させる圧電膜の製造方法であって、前記圧電膜は、耐熱性が１４０℃以上であり、破断歪みが、８％以上から５５％以下の範囲にあることを特徴とする圧電膜の製造方法。
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