JP7026850B2 - 真空又は気体による電気絶縁のための誘電性構造 - Google Patents
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Description
本出願は、2018年9月19日に出願され、現在係属中の「CAPACITIVE STRUCTURES FOR HIGH ELECTRICAL ENERGY DENSITY」という名称の米国仮特許出願第62/733,174号に対する優先権を主張し、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、概して、キャパシタ、回路基板、伝送ライン及びケーブル、半導体デバイスなどのための誘電体を含む、電気絶縁のための複合材料に関する。
誘電体は、キャパシタ、伝送ライン、回路基板、半導体デバイス、機械的支持体及び他の用途を含む電気機器に望ましくない電流が流れないように電気的絶縁を提供する。誘電体は、誘電体が許容レベル未満の電流の流れを防ぐことができない電界レベルである、その絶縁耐力以下の電界での動作に制限される。誘電体を確実に動作させることができる最大電界は、他に要因がある中でもとりわけ、印加電圧、誘電体の厚さ及びシステム内の導体と誘電体との空間的関係に依存する。絶縁耐力は、材料特性、製造品質及び動作条件によって制限されるため、より高電圧での動作を可能にするために誘電体の厚さを増加させなければならないことが多い。高電圧動作に対応するために誘電体の厚さを増加させると、キャパシタ及び伝送ラインなどのデバイスのサイズが大きくなる。キャパシタの場合、誘電体の厚さを増加させると、単位面積当たりの静電容量として定義される静電容量密度が低下するため、より薄い誘電体を組み込んだキャパシタと同等の総静電容量を得るには、より大きいキャパシタ面積が必要になる。誘電体の厚さ及び面積の両方を増加させるために必要な材料を追加することにより、誘電体及びデバイス全体の体積及び重量がはるかに大きくなる。誘電体を組み込んだキャパシタ及び他の電気デバイスの多くの用途は、構成部品が小型化及び/又は軽量化されると恩恵を受けることになるため、誘電体を組み込んだ構成部品のサイズ及び重量を減らすために、より高い電界で動作することが可能な材料が必要とされている。誘電体に蓄積される単位体積又は単位質量当たりのエネルギーとして定義される電気エネルギー密度は、一般に、その材料特性に基づいて誘電体のサイズ及び/又は重量を評価するためのメトリックとして使用される。誘電体の電気エネルギー密度を高めることにより、その誘電体を組み込んだ構成部品を小型化し、軽量化できる場合が多い。
本発明の実施形態は、本発明の構造において真空と電気的に均等な真空及び気体中での高電気エネルギー密度動作を可能にする新規な構造及びアセンブリを含む。真空の誘電率は、1であり、気体の誘電率は、1よりもわずかに大きいのみであるが、本発明の実施形態は、誘電率がそれよりも高い従来の誘電体で利用可能なものよりも高い電気エネルギー密度を実現する手段を提示する。これは、複数の絶縁破壊メカニズムに対処しつつ、さらに構造の真空又は真空に均等な気体部分に電界を集中させる固体-真空又は固体-気体複合構造を設計することによって達成される。本発明の材料の追加の恩恵は、極端な低温及び高温で動作すること、所与の電界で動作するためのディレーティング係数が大きくなること、自己回復又は自己クリアリングが可能であること並びに温度、印加電圧及び周波数に対する誘電特性及びエネルギー密度の依存性が低いことである。
本明細書の一部を形成し、本明細書と合わせて読まれる添付の図面では、同様の参照番号は、様々な図において同様又は類似の部分を表示するために使用される。
次に、図面を参照しながら本発明を説明するが、図面では、全体を通して同様の参照番号が同様の部分を指す。本発明の特徴をわかり易く図示するために、図面では、各要素の比例関係は、必ずしも維持されているわけではない。図面に含まれている寸法は、単に例として提供されており、それに提供されるもの以外の寸法も本発明の範囲内であることが認識されるであろう。
Claims (22)
- 4よりも大きい誘電率を有する少なくとも1つの固体材料の1つ又は複数の領域であって、前記少なくとも1つの固体材料の1つ又は複数の領域のうちの少なくとも1つの領域は、第1の平均粒子寸法(dmaj)及び第2の平均粒子寸法(dmin)を有する、1つ又は複数の領域と、
真空又は気体の複数の領域であって、前記真空又は気体の複数の領域のうちの真空又は気体の少なくとも1つの領域は、第1の平均粒子寸法(d’maj)及び第2の平均粒子寸法(d’min)を有する、真空又は気体の複数の領域と
を含む誘電体構造であって、
前記少なくとも1つの固体材料の少なくとも1つの領域のdminに対するdmajのアスペクト比は、4以上であること、及び
前記真空又は気体の少なくとも1つの領域のd’minに対するd’majのアスペクト比は、4以上であること
の少なくとも1つであり、
前記真空又は気体の複数の領域は、前記誘電体構造への電界の印加時、前記少なくとも1つの固体材料の1つ又は複数の領域における平均電界が前記真空又は気体の複数の領域における平均電界よりも小さいように、前記少なくとも1つの固体材料の1つ又は複数の領域全体にわたって分散される、誘電体構造を含む物品。 - 前記少なくとも1つの固体材料の固体の1つ又は複数の領域は、1つ又は複数の固体絶縁体の三次元ネットワークで構成される、請求項1に記載の物品。
- 前記真空又は気体の複数の領域の体積は、前記少なくとも1つの固体材料の1つ又は複数の領域と、前記真空又は気体の複数の領域との合計体積の約10%~約99%である、請求項1に記載の物品。
- 真空又は気体の各領域のd’minに対するd’majの前記アスペクト比は、約1000以下である、請求項1に記載の物品。
- 前記少なくとも1つの固体材料は、金属酸化物、ダイヤモンド又は窒化物の少なくとも1つである、請求項1に記載の物品。
- 前記少なくとも1つの固体材料は、アルミナ、ダイヤモンド、酸化タンタル、ハフニア、ニオビア、チタニア、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素又は窒化アルミニウムの少なくとも1つである、請求項1に記載の物品。
- 前記気体は、空気、窒素、六フッ化硫黄、酸素、水素、二酸化炭素、ペルフルオロカーボン又はクロロフルオロカーボンの1つ又は複数で構成される、請求項1に記載の物品。
- 前記真空又は気体の複数の領域のうちの前記真空又は気体の少なくとも1つの領域の前記第2の平均粒子寸法(d’min)は、1ミクロン以下である、請求項1に記載の物品。
- 前記少なくとも1つの固体材料の少なくとも1つの領域の前記第2の平均粒子寸法(dmin)は、1ミクロン以下である、請求項1に記載の物品。
- 1つ又は複数の電極をさらに含む、請求項1に記載の物品。
- 前記電極の少なくとも1つは、前記誘電体構造に隣接するその表面上において絶縁層でコーティングされる、請求項10に記載の物品。
- 前記絶縁層は、アルミナ、ダイヤモンド、酸化タンタル、ハフニア、ニオビア、チタニア、シリカ、窒化アルミニウム又は窒化ホウ素の少なくとも1つである、請求項11に記載の物品。
- 前記絶縁層は、前記少なくとも1つの電極の酸化、陽極酸化又は他の化学反応から形成される、請求項11に記載の物品。
- 前記1つ又は複数の電極は、電極導体で構成され、前記電極導体は、金属、半導体材料、液体電解質又は固体電解質である、請求項10に記載の物品。
- 前記1つ又は複数の電極は、電極導体で構成され、前記電極導体は、アルミニウム、炭素、ハフニウム、ニオブ、シリコン、チタン、ニッケル、銀、金又はタンタルの少なくとも1つである、請求項10に記載の物品。
- 前記絶縁層でコーティングされた前記少なくとも1つの電極は、単極デバイスのカソードを含む、請求項11に記載の物品。
- 前記誘電体構造の導電層及び絶縁層は、バイポーラデバイスの2つ以上の電極を含む、請求項11に記載の物品。
- 前記絶縁層は、絶縁層と前記誘電体構造との合計厚さの約10%未満である、請求項11に記載の物品。
- 前記真空又は気体の複数の領域における前記平均電界は、約1GV/mよりも大きい、請求項10に記載の物品。
- 前記1つ又は複数の電極への電気的接続のための2つ以上の端子をさらに含む、請求項10に記載の物品。
- 少なくとも1つの伝送ラインをさらに含み、前記少なくとも1つの伝送ラインは、少なくとも2つの導体で構成される、請求項10に記載の物品。
- 前記気体は、
前記1つ又は複数の電極、及び
前記少なくとも1つの固体材料の1つ又は複数の領域
の少なくとも1つの、気化、酸化又は他の反応を補助して、誘電体の故障中又は後の電流を制限する、請求項10に記載の物品。
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