JP7443837B2 - Composite dielectric material - Google Patents
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Description
本発明は、複合誘電体材料に関し、さらに詳しくは、絶縁破壊強度が高く、かつ、比誘電率の温度依存性及び周波数依存性が小さい複合誘電体材料に関する。 The present invention relates to a composite dielectric material, and more particularly to a composite dielectric material having high dielectric breakdown strength and having a small temperature dependence and frequency dependence of relative dielectric constant.
コンデンサは、２枚の電極の間に誘電体を挿入したものであり、その静電容量は、誘電体の比誘電率に比例する。コンデンサに使用される誘電体としては、例えば、セラミックス、プラスチック、絶縁油、マイカなどが知られている。特に、ＢａＴｉＯ3は、比誘電率が大きいため、小型・大容量のコンデンサの誘電体には、主としてＢａＴｉＯ3が用いられている。 A capacitor has a dielectric inserted between two electrodes, and its capacitance is proportional to the dielectric constant of the dielectric. Known examples of dielectric materials used in capacitors include ceramics, plastics, insulating oil, and mica. In particular, since BaTiO 3 has a large dielectric constant, BaTiO 3 is mainly used as a dielectric material for small-sized, large-capacity capacitors.
ＢａＴｉＯ3は、常温（２５℃）では正方晶であるが、結晶構造が正方晶（強誘電体）から立方晶（常誘電体）に変化するキュリー点（約１２５℃）を持ち、キュリー点では比誘電率が最も高くなる。そのため、ＢａＴｉＯ3を用いたコンデンサは、キュリー点近傍において静電容量が大きく変化する。しかし、ＢａＴｉＯ3からなる緻密な焼結体を得るためには、１３００℃前後の高い焼結温度を必要とする。さらに、ＢａＴｉＯ3は、加工性に乏しいために、任意の形状や複雑な形状に加工するのが難しい。 BaTiO 3 is tetragonal at room temperature (25°C), but it has a Curie point (approximately 125°C) at which the crystal structure changes from tetragonal (ferroelectric) to cubic (paraelectric); The relative permittivity is the highest. Therefore, the capacitance of a capacitor using BaTiO 3 changes greatly near the Curie point. However, in order to obtain a dense sintered body made of BaTiO 3 , a high sintering temperature of around 1300° C. is required. Furthermore, since BaTiO 3 has poor workability, it is difficult to process it into arbitrary or complicated shapes.
一方、ポリプロピレンなどのポリマーからなるプラスチックフィルムは、フィルムコンデンサの誘電体として用いられている。プラスチックフィルムは、可撓性があるために、容易にロール状に巻き取ることができる。しかしながら、ポリマーは、比誘電率が小さいために、コンデンサ容量を大きくするためには、巻回数を多くする必要がある。そのため、フィルムコンデンサは、積層セラミックチップコンデンサに比べて大型化するという問題がある。 On the other hand, plastic films made of polymers such as polypropylene are used as dielectrics in film capacitors. Since plastic film is flexible, it can be easily wound into a roll. However, since polymer has a small dielectric constant, it is necessary to increase the number of turns in order to increase the capacitor capacity. Therefore, there is a problem that film capacitors are larger than multilayer ceramic chip capacitors.
これに対し、可撓性のあるポリマーと、高い比誘電率を有する無機フィラーとを複合化させると、可撓性と高比誘電率とを両立させることができる。また、このような複合体を用いてフィルムコンデンサを作製すると、ポリマーのみを用いた場合に比べて、フィルムコンデンサを小型化することができる。そのため、このような有機材料と無機材料からなる複合誘電体に関し、従来から種々の提案がなされている。 On the other hand, by combining a flexible polymer with an inorganic filler having a high dielectric constant, it is possible to achieve both flexibility and a high dielectric constant. Furthermore, when a film capacitor is manufactured using such a composite, the size of the film capacitor can be made smaller than when only a polymer is used. Therefore, various proposals have been made regarding such composite dielectrics made of organic and inorganic materials.
例えば、特許文献１には、
（ａ）フッ化ビニリデン（ＶｄＦ）系樹脂と、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＢｅＯ、又は、ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3からなる無機酸化物粒子との複合体からなり、
（ｂ）無機酸化物粒子の含有量がＶｄＦ系樹脂１００質量部に対して０．０１質量部以上１０質量部未満である
高誘電性フィルムが開示されている。
For example, in
(a) Consists of a composite of vinylidene fluoride (VdF)-based resin and inorganic oxide particles consisting of Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , BeO, or MgO・Al 2 O 3 ,
(b) A highly dielectric film in which the content of inorganic oxide particles is 0.01 parts by mass or more and less than 10 parts by mass based on 100 parts by mass of VdF-based resin is disclosed.
同文献には、
（Ａ）通常、高誘電性複合酸化物粒子によってＶｄＦ系樹脂フィルムの誘電性を向上させるためには、フィルムに多量の複合酸化物粒子を配合する必要があり、その結果として、フィルムの電気絶縁性が低下する点、及び、
（Ｂ）ＶｄＦ系樹脂フィルムに特定の無機酸化物粒子を少量配合すると、ＶｄＦ系樹脂の高い比誘電率を維持したまま体積抵抗率が向上する点
が記載されている。
In the same document,
(A) Normally, in order to improve the dielectric properties of a VdF resin film using highly dielectric composite oxide particles, it is necessary to incorporate a large amount of composite oxide particles into the film, and as a result, the electrical insulation of the film and
(B) It is stated that when a small amount of specific inorganic oxide particles are blended into a VdF-based resin film, the volume resistivity is improved while maintaining the high dielectric constant of the VdF-based resin.
ポリプロピレンフィルムは、絶縁破壊強度は高いが、比誘電率は低い。そのため、フィルムコンデンサを高性能化するためには、より比誘電率の高いポリマーが必要である。その候補として、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高比誘電率ポリマーがある。
しかしながら、ポリマーとして高比誘電率ポリマーを用いた場合であっても、フィルム化した際の不均質化によって比誘電率の温度依存性及び周波数依存性が大きくなる場合がある。比誘電率の温度依存性及び周波数依存性が過度に大きくなると、デバイスの動作周波数によっては使用できない可能性がある。
Polypropylene film has high dielectric breakdown strength but low dielectric constant. Therefore, in order to improve the performance of film capacitors, a polymer with a higher dielectric constant is required. Candidates include high dielectric constant polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF).
However, even when a high dielectric constant polymer is used as the polymer, the temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant may increase due to non-uniformity when formed into a film. If the temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant become too large, the device may not be usable depending on the operating frequency of the device.
さらに、絶縁破壊強度は、比誘電率とトレードオフの関係にある。そのため、フィルムの比誘電率を向上させるために、比誘電率の高い無機材料とポリマーとを複合化させると、通常、絶縁破壊強度は低下する。 Furthermore, dielectric breakdown strength is in a trade-off relationship with dielectric constant. Therefore, when an inorganic material with a high dielectric constant and a polymer are combined with a polymer in order to improve the dielectric constant of the film, the dielectric breakdown strength usually decreases.
本発明が解決しようとする課題は、ポリマーと無機材料とを含む複合誘電体材料において、絶縁破壊強度を低下させることなく、比誘電率の温度依存性及び周波数依存性を小さくすることにある。 The problem to be solved by the present invention is to reduce the temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant in a composite dielectric material containing a polymer and an inorganic material without reducing the dielectric breakdown strength.
上記課題を解決するために、本発明に係る複合誘電体材料は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記複合誘電体材料は、
ポリマーからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散している無機材料からなるフィラーと
を備えている。
（２）前記複合誘電体材料は、次の式（１）～式（５）を満たす。
０．２８≦ε2／ε1≦５．６６ …（１）
０．８０≦εcomp／ε1≦１．３２ …（２）
６．５≦Ｖ2≦３０．０ …（３）
ΔεT2／ΔεT1＜１ …（４）
Δεf2／Δεf1＜１ …（５）
但し、
ε1は、前記ポリマーの比誘電率、
ε2は、前記無機材料の比誘電率、
εcompは、前記複合誘電体材料の比誘電率、
lnεcomp＝Ｖ1lnε1＋Ｖ2lnε2、
Ｖ1は、前記複合誘電体材料に含まれる前記ポリマーの体積割合（ｖｏｌ％）、
Ｖ2は、前記複合誘電体材料に含まれる前記フィラーの体積割合（ｖｏｌ％）、
ΔεT1は、前記ポリマーの比誘電率の温度依存性、
ΔεT2は、前記無機材料の比誘電率の温度依存性、
Δεf1は、前記ポリマーの比誘電率の周波数依存性、
Δεf2は、前記無機材料の比誘電率の周波数依存性。
In order to solve the above problems, the composite dielectric material according to the present invention has the following configuration.
(1) The composite dielectric material is
a matrix made of polymer;
and a filler made of an inorganic material dispersed in the matrix.
(2) The composite dielectric material satisfies the following formulas (1) to (5).
0.28≦ε 2 /ε 1 ≦5.66 (1)
0.80≦ε comp /ε 1 ≦1.32…(2)
6.5≦V 2 ≦30.0…(3)
Δε T2 /Δε T1 <1...(4)
Δε f2 /Δε f1 <1...(5)
however,
ε 1 is the dielectric constant of the polymer,
ε 2 is the relative dielectric constant of the inorganic material,
ε comp is the relative dielectric constant of the composite dielectric material,
lnε comp =V 1 lnε 1 +V 2 lnε 2 ,
V 1 is the volume percentage (vol%) of the polymer contained in the composite dielectric material,
V 2 is the volume percentage (vol%) of the filler contained in the composite dielectric material;
Δε T1 is the temperature dependence of the dielectric constant of the polymer,
Δε T2 is the temperature dependence of the dielectric constant of the inorganic material,
Δε f1 is the frequency dependence of the dielectric constant of the polymer,
Δε f2 is the frequency dependence of the dielectric constant of the inorganic material.
ポリマーと無機材料とを含む複合誘電体材料において、無機材料として、ポリマーとほぼ同等の比誘電率を有し、かつ、ポリマーより比誘電率の温度依存性及び周波数依存性の小さい材料を用いると、複合誘電体材料の比誘電率の温度依存性及び周波数依存性を小さくすることができる。これは、無機材料の比誘電率がポリマーの比誘電率に近いために、無機材料の低温度依存性及び低周波数依存性が表れやすくなり、ポリマーの温度依存性及び周波数依存性が安定化するためと考えられる。 In a composite dielectric material containing a polymer and an inorganic material, if a material is used as the inorganic material that has a dielectric constant almost equivalent to that of the polymer, and whose dielectric constant has smaller temperature dependence and frequency dependence than the polymer. , it is possible to reduce the temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant of the composite dielectric material. This is because the dielectric constant of the inorganic material is close to that of the polymer, so the low temperature dependence and low frequency dependence of the inorganic material are more likely to appear, and the temperature dependence and frequency dependence of the polymer are stabilized. It is thought that this is for a reason.
また、このような方法により、複合誘電体材料の絶縁破壊強度の低下も抑制される。これは、無機材料の比誘電率がポリマーの比誘電率に近いために、電圧印加時にポリマーと無機材料に同等の電界が印加されるため、及び、これによって複合誘電体材料の絶縁破壊強度が、ポリマーのそれとほぼ同等に維持されるためと考えられる。 Moreover, such a method also suppresses a decrease in the dielectric breakdown strength of the composite dielectric material. This is because the dielectric constant of the inorganic material is close to that of the polymer, so when a voltage is applied, the same electric field is applied to the polymer and the inorganic material, and this increases the dielectric breakdown strength of the composite dielectric material. This is thought to be due to the fact that it remains almost the same as that of the polymer.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 複合誘電体材料］
本発明に係る複合誘電体材料は、
ポリマーからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散している無機材料からなるフィラーと
を備えている。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Composite dielectric material]
The composite dielectric material according to the present invention is
a matrix made of polymer;
and a filler made of an inorganic material dispersed in the matrix.
［１．１． ポリマー］
マトリックスは、ポリマーからなる。本発明において、ポリマーの組成は、後述する条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。
ポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリフルオレン、ポリスルホン、ポリエチレンイミド、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリウレタン、セルロースアセテート、ポリ塩化ビニル、シアノエチルセルロースなどがある。マトリックスは、これらのいずれか１種のポリマーからなるものでも良く、あるいは、２種以上のポリマーからなるものでも良い。
これらの中でも、ポリマーは、ＰＶＤＦが好ましい。ＰＶＤＦは、他のポリマーに比べて高い比誘電率を持つので、マトリックスの材料として好適である。
[1.1. polymer]
The matrix consists of a polymer. In the present invention, the composition of the polymer is not particularly limited as long as it satisfies the conditions described below.
Examples of the polymer include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, polyethylene, polystyrene, polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, polyfluorene, polysulfone, polyethyleneimide, polycarbonate, polyether ether ketone, polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, Examples include polyimide, polyurethane, cellulose acetate, polyvinyl chloride, and cyanoethyl cellulose. The matrix may be made of any one of these polymers, or may be made of two or more of these polymers.
Among these, PVDF is preferred as the polymer. PVDF is suitable as a matrix material because it has a high dielectric constant compared to other polymers.
［１．２． 無機材料］
［１．２．１． 組成］
フィラーは、無機材料からなる。本発明において、無機材料の組成は、後述する条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。
無機材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＢＮ、ムライト、コーディエライト、石英などがある。フィラーは、これらのいずれか１種の無機材料からなるものでも良く、あるいは、２種以上の無機材料からなるものでも良い。
マトリックスがＰＶＤＦからなる場合、フィラーはＡｌ2Ｏ3が好ましい。Ａｌ2Ｏ3の比誘電率はＰＶＤＦのそれとほぼ同等であり、かつ、Ａｌ2Ｏ3の比誘電率の温度依存性及び周波数依存性は、ＰＶＤＦのそれらよりも小さい。そのため、ＰＶＤＦとＡｌ2Ｏ3とを組み合わせると、絶縁破壊強度が高く、かつ、比誘電率の温度依存性及び周波数依存性の小さい複合誘電体材料が得られる。
[1.2. Inorganic materials]
[1.2.1. composition]
The filler consists of an inorganic material. In the present invention, the composition of the inorganic material is not particularly limited as long as it satisfies the conditions described below.
Examples of inorganic materials include Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , Si 3 N 4 , AlN, BN, mullite, cordierite, and quartz. The filler may be made of any one of these inorganic materials, or may be made of two or more of these inorganic materials.
When the matrix is made of PVDF, the filler is preferably Al 2 O 3 . The relative permittivity of Al 2 O 3 is approximately equal to that of PVDF, and the temperature dependence and frequency dependence of the relative permittivity of Al 2 O 3 are smaller than those of PVDF. Therefore, when PVDF and Al 2 O 3 are combined, a composite dielectric material having high dielectric breakdown strength and low temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant can be obtained.
［１．２．２． 平均粒径］
フィラーの「粒径」とは、複合誘電体材料の断面に現れるフィラーの長さの最大値をいう。
フィラーの「平均粒径」とは、複合誘電体材料の断面に現れる５０個以上のフィラーについて測定された粒径の平均値をいう。
[1.2.2. Average particle size]
The "particle size" of the filler refers to the maximum length of the filler appearing in the cross section of the composite dielectric material.
The "average particle size" of the filler refers to the average value of particle sizes measured for 50 or more fillers appearing in the cross section of the composite dielectric material.
フィラーの平均粒径は、複合誘電体材料の誘電特性に影響を与える。フィラーの平均粒径が小さくなりすぎると、フィラーが凝集しやすくなる。従って、フィラーの平均粒径は、５０ｎｍ以上が好ましい。平均粒径は、好ましくは、７５ｎｍ以上、さらに好ましくは、１００ｎｍ以上である。
一方、フィラーの平均粒径が大きくなりすぎると、複合誘電体材料の薄膜化が困難となる。従って、フィラーの平均粒径は、２００ｎｍ以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、１７５ｎｍ以下、さらに好ましくは、１５０ｎｍ以下である。
The average particle size of the filler affects the dielectric properties of the composite dielectric material. If the average particle size of the filler becomes too small, the filler tends to aggregate. Therefore, the average particle size of the filler is preferably 50 nm or more. The average particle size is preferably 75 nm or more, more preferably 100 nm or more.
On the other hand, if the average particle size of the filler becomes too large, it becomes difficult to make the composite dielectric material thin. Therefore, the average particle size of the filler is preferably 200 nm or less. The average particle size is preferably 175 nm or less, more preferably 150 nm or less.
［１．３． 特性］
複合誘電体材料は、次の式（１）～式（５）を満たす。複合熱電材料は、さらに分散度が所定の条件を満たしているものが好ましい。
０．２８≦ε2／ε1≦５．６６ …（１）
０．８０≦εcomp／ε1≦１．３２ …（２）
６．５≦Ｖ2≦３０．０ …（３）
ΔεT2／ΔεT1＜１ …（４）
Δεf2／Δεf1＜１ …（５）
但し、
ε1は、前記ポリマーの比誘電率、
ε2は、前記無機材料の比誘電率、
εcompは、前記複合誘電体材料の比誘電率、
lnεcomp＝Ｖ1lnε1＋Ｖ2lnε2、
Ｖ1は、前記複合誘電体材料に含まれる前記ポリマーの体積割合（ｖｏｌ％）、
Ｖ2は、前記複合誘電体材料に含まれる前記フィラーの体積割合（ｖｏｌ％）、
ΔεT1は、前記ポリマーの比誘電率の温度依存性、
ΔεT2は、前記無機材料の比誘電率の温度依存性、
Δεf1は、前記ポリマーの比誘電率の周波数依存性、
Δεf2は、前記無機材料の比誘電率の周波数依存性。
[1.3. Characteristic]
The composite dielectric material satisfies the following formulas (1) to (5). The composite thermoelectric material preferably has a degree of dispersion that satisfies predetermined conditions.
0.28≦ε 2 /ε 1 ≦5.66 (1)
0.80≦ε comp /ε 1 ≦1.32…(2)
6.5≦V 2 ≦30.0…(3)
Δε T2 /Δε T1 <1...(4)
Δε f2 /Δε f1 <1...(5)
however,
ε 1 is the dielectric constant of the polymer,
ε 2 is the relative dielectric constant of the inorganic material,
ε comp is the relative dielectric constant of the composite dielectric material,
lnε comp =V 1 lnε 1 +V 2 lnε 2 ,
V 1 is the volume percentage (vol%) of the polymer contained in the composite dielectric material,
V 2 is the volume percentage (vol%) of the filler contained in the composite dielectric material;
Δε T1 is the temperature dependence of the dielectric constant of the polymer,
Δε T2 is the temperature dependence of the dielectric constant of the inorganic material,
Δε f1 is the frequency dependence of the dielectric constant of the polymer,
Δε f2 is the frequency dependence of the dielectric constant of the inorganic material.
［１．３．１． 式（１）：ε2／ε1］
ε2／ε1は、ポリマーの比誘電率（ε1）に対する無機材料の比誘電率（ε2）の比を表す。ε2／ε1が小さくなりすぎると、複合誘電体材料の比誘電率の周波数依存性及び温度依存性が大きくなる。これは、特定の温度域及び周波数域内での最低のεcompが小さくなりすぎるためである。従って、ε2／ε1は、０．２８以上である必要がある。
[1.3.1. Formula (1): ε 2 /ε 1 ]
ε 2 /ε 1 represents the ratio of the dielectric constant (ε 2 ) of the inorganic material to the dielectric constant (ε 1 ) of the polymer. When ε 2 /ε 1 becomes too small, the frequency dependence and temperature dependence of the dielectric constant of the composite dielectric material become large. This is because the lowest ε comp within a specific temperature and frequency range becomes too small. Therefore, ε 2 /ε 1 needs to be 0.28 or more.
一方、ε2／ε1が大きくなりすぎると、電圧印加時にポリマーに、より大きな電界が加わるために、絶縁破壊しやすくなる。また、ε2／ε1が大きくなりすぎると、かえって複合誘電体材料の比誘電率の周波数依存性及び温度依存性が大きくなる。これは、周波数依存性及び温度依存性の大きいポリマーの特性が現れやすくなるためである。従って、ε2／ε1は、５．６６以下である必要がある。 On the other hand, if ε 2 /ε 1 becomes too large, a larger electric field is applied to the polymer when a voltage is applied, making dielectric breakdown more likely. Furthermore, if ε 2 /ε 1 becomes too large, the frequency dependence and temperature dependence of the dielectric constant of the composite dielectric material will become larger. This is because the characteristics of the polymer, which are highly dependent on frequency and temperature, are more likely to appear. Therefore, ε 2 /ε 1 needs to be 5.66 or less.
［１．３．２． 式（２）：εcomp／ε1］
εcomp／ε1は、ポリマーの比誘電率（ε1）に対する複合誘電体材料の比誘電率（εcomp）の比を表す。εcomp／ε1が小さくなりすぎると、コンデンサの小型化が困難となる。従って、εcomp／ε1は、０．８０以上である必要がある。
[1.3.2. Equation (2): ε comp / ε 1 ]
ε comp /ε 1 represents the ratio of the relative permittivity of the composite dielectric material (ε comp ) to the relative permittivity of the polymer (ε 1 ). If ε comp /ε 1 becomes too small, it becomes difficult to downsize the capacitor. Therefore, ε comp /ε 1 needs to be 0.80 or more.
一方、εcomp／ε1が大きくなりすぎると、それに応じてε2／ε1も過度に大きくなる。その結果、複合誘電体材料が絶縁破壊しやすくなり、あるいは、比誘電率の周波数依存性及び温度依存性が大きくなる。従って、εcomp／ε1は、１．３２以下である必要がある。 On the other hand, if ε comp /ε 1 becomes too large, ε 2 /ε 1 also becomes excessively large. As a result, the composite dielectric material becomes susceptible to dielectric breakdown, or the frequency dependence and temperature dependence of the dielectric constant becomes large. Therefore, ε comp /ε 1 needs to be 1.32 or less.
［１．３．３． 式（３）：Ｖ2］
Ｖ2（＝１００－Ｖ1）は、複合誘電体材料に含まれるフィラーの体積割合を表す。後述するように、本発明において、フィラーには、ポリマーよりも比誘電率の周波数依存性及び温度依存性が小さいものを用いる。そのため、Ｖ2が小さくなりすぎると、ポリマーの誘電体特性が支配的となり、複合誘電体材料の比誘電率の周波数依存性及び温度依存性が大きくなる。従って、Ｖ2は、６．５ｖｏｌ％以上が好ましい。Ｖ2は、好ましくは、１０．０ｖｏｌ％以上ある。
[1.3.3. Formula (3): V 2 ]
V 2 (=100−V 1 ) represents the volume percentage of the filler contained in the composite dielectric material. As will be described later, in the present invention, a filler whose dielectric constant has smaller frequency dependence and temperature dependence than the polymer is used. Therefore, when V 2 becomes too small, the dielectric properties of the polymer become dominant, and the frequency dependence and temperature dependence of the dielectric constant of the composite dielectric material become large. Therefore, V 2 is preferably 6.5 vol% or more. V 2 is preferably 10.0 vol% or more.
一方、Ｖ2が大きくなりすぎると、フィラーが凝集しやすくなり、絶縁破壊強度が低下する場合がある。従って、Ｖ2は、３０．０ｖｏｌ％以下が好ましい。Ｖ2は、好ましくは、２０．０ｖｏｌ％以下である。 On the other hand, if V 2 becomes too large, the filler tends to aggregate and the dielectric breakdown strength may decrease. Therefore, V 2 is preferably 30.0 vol% or less. V 2 is preferably 20.0 vol% or less.
［１．３．４． 式（４）：ΔεT2／ΔεT1］
ΔεT2／ΔεT1は、ポリマーの比誘電率の温度依存性（ΔεT1）に対する無機材料の比誘電率の温度依存性（ΔεT2）の比を表す。
「比誘電率の温度依存性（ΔεT）」とは、次の式（４．１）で表される値をいう。
ΔεT＝（εTmax＠ｆ－εTmin＠ｆ）／εTmin＠ｆ …（４．１）
但し、
εTmax＠ｆは、周波数が特定の周波数域内の特定の値（ｆ（Ｈｚ））である場合において、特定の温度域内での比誘電率の最大値、
εTmin＠ｆは、周波数が特定の周波数域内の特定の値（ｆ（Ｈｚ））である場合において、特定の温度域内での比誘電率の最小値。
「特定の温度域」とは－４０℃～８０℃をいう。「特定の周波数域」とは、１Ｈｚ～１ＭＨｚをいう。
[1.3.4. Equation (4): Δε T2 /Δε T1 ]
Δε T2 /Δε T1 represents the ratio of the temperature dependence of the dielectric constant of the inorganic material (Δε T2 ) to the temperature dependence of the dielectric constant of the polymer (Δε T1 ).
"Temperature dependence of relative dielectric constant (Δε T )" refers to a value expressed by the following equation (4.1).
Δε T = (ε Tmax @f−ε Tmin @f)/ε Tmin @f … (4.1)
however,
ε Tmax @f is the maximum value of the relative dielectric constant within a specific temperature range when the frequency is a specific value (f (Hz)) within a specific frequency range,
ε Tmin @f is the minimum value of the dielectric constant within a specific temperature range when the frequency is a specific value (f (Hz)) within a specific frequency range.
"Specific temperature range" refers to -40°C to 80°C. "Specific frequency range" refers to 1 Hz to 1 MHz.
ポリマー誘電体は、一般に、フィルム化したときの不均質化によって、比誘電率の温度依存性が大きくなりやすい。本発明においては、この問題を解決するために、フィラーとして、ポリマーよりも比誘電率の温度依存性が小さい無機材料を用いる。すなわち、ΔεT2／ΔεT1は、特定の周波数域内において、１未満である必要がある。 In general, polymer dielectrics tend to have a large temperature dependence in dielectric constant due to non-uniformity when formed into a film. In the present invention, in order to solve this problem, an inorganic material whose relative permittivity is less dependent on temperature than a polymer is used as a filler. That is, Δε T2 /Δε T1 needs to be less than 1 within a specific frequency range.
［１．３．５． 式（５）：Δεf2／Δεf1］
Δεf2／Δεf1は、ポリマーの比誘電率の周波数依存性（Δεf1）に対する無機材料の比誘電率の周波数依存性（Δεf2）の比を表す。
「比誘電率の周波数依存性（Δεf）」とは、次の式（５．１）で表される値をいう。
Δεf＝（εfmax＠Ｔ－εfmin＠Ｔ）／εfmin＠Ｔ …（５．１）
但し、
εfmax＠Ｔは、温度が特定の温度域内の特定の値（Ｔ（℃））である場合において、特定の周波数域内での比誘電率の最大値、
εfmin＠Ｔは、温度が特定の温度域内の特定の値（Ｔ（℃））である場合において、特定の周波数域内での比誘電率の最小値。
「特定の温度域」とは－４０℃～８０℃をいう。「特定の周波数域」とは、１Ｈｚ～１ＭＨｚをいう。
[1.3.5. Equation (5): Δε f2 /Δε f1 ]
Δε f2 /Δε f1 represents the ratio of the frequency dependence of the dielectric constant of the inorganic material (Δε f2 ) to the frequency dependence of the dielectric constant of the polymer (Δε f1 ).
"Frequency dependence of relative permittivity (Δε f )" refers to a value expressed by the following equation (5.1).
Δε f = (ε fmax @T−ε fmin @T)/ε fmin @T … (5.1)
however,
ε fmax @T is the maximum value of the dielectric constant within a specific frequency range when the temperature is a specific value (T (℃)) within a specific temperature range,
ε fmin @T is the minimum value of the dielectric constant within a specific frequency range when the temperature is a specific value (T (°C)) within a specific temperature range.
"Specific temperature range" refers to -40°C to 80°C. "Specific frequency range" refers to 1 Hz to 1 MHz.
ポリマー誘電体は、一般に、フィルム化したときの不均質化によって、比誘電率の周波数依存性が大きくなりやすい。本発明においては、この問題を解決するために、フィラーとして、ポリマーよりも比誘電率の周波数依存性が小さい無機材料を用いる。すなわち、Δεf2／Δεf1は、特定の温度域内において、１未満である必要がある。 In general, polymer dielectrics tend to have a large frequency dependence of dielectric constant due to non-uniformity when formed into a film. In the present invention, in order to solve this problem, an inorganic material whose relative permittivity is less dependent on frequency than a polymer is used as a filler. That is, Δε f2 /Δε f1 needs to be less than 1 within a specific temperature range.
［１．３．６． 分散度］
「分散度」とは、次の式（６）で表される値をいう。式（６）で表される分散度は、ポリマー中におけるフィラーの分散の程度を表す尺度であり、分散度が低くなるほど、フィラーがより均一に分散していることを表す。
分散度＝ＡＤL／Ｌm …（６）
但し、
ＡＤLは、前記フィラーの重心間距離の平均偏差、
Ｌmは、前記フィラーの重心間距離の平均値。
「フィラーの重心間距離」とは、隣接する粒子の重心間の距離をいう。
[1.3.6. degree of dispersion]
"Degree of dispersion" refers to a value expressed by the following equation (6). The degree of dispersion expressed by formula (6) is a measure of the degree of dispersion of the filler in the polymer, and the lower the degree of dispersion, the more uniformly the filler is dispersed.
Dispersity=AD L /L m ...(6)
however,
ADL is the average deviation of the distance between the centers of gravity of the filler;
L m is the average value of the distance between the centers of gravity of the filler.
"Distance between filler centroids" refers to the distance between the centroids of adjacent particles.
一般に、無機材料からなるフィラーは、ポリマーに比べて絶縁破壊強度が低い。そのため、フィラーの分散度が大きくなるほど（フィラーの分散が不均一になるほど）、絶縁破壊強度が低下する。高い絶縁破壊強度を得るためには、分散度は、０．６未満が好ましい。 Generally, fillers made of inorganic materials have lower dielectric breakdown strength than polymers. Therefore, as the degree of dispersion of the filler increases (as the dispersion of the filler becomes more uneven), the dielectric breakdown strength decreases. In order to obtain high dielectric breakdown strength, the degree of dispersion is preferably less than 0.6.
［２． 複合誘電体材料の製造方法］
本発明に係る複合誘電体材料は、種々の方法により製造することができる。
例えば、フィルム状の複合誘電体材料は、
（ａ）所定の組成及び平均粒径を有するフィラー粒子を作製し、
（ｂ）所定の組成となるようにマトリックスの原料及びフィラー粒子を分散媒中に分散させてスラリーとし、
（ｃ）スラリーを基板表面にキャストし、塗膜を乾燥させる
ことにより製造することができる。
フィラー粒子の製造方法、スラリー組成、及びキャスト方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
[2. Manufacturing method of composite dielectric material]
The composite dielectric material according to the present invention can be manufactured by various methods.
For example, a film-like composite dielectric material is
(a) producing filler particles having a predetermined composition and average particle size;
(b) Dispersing matrix raw materials and filler particles in a dispersion medium to a predetermined composition to form a slurry;
(c) It can be manufactured by casting a slurry onto the surface of a substrate and drying the coating film.
The manufacturing method, slurry composition, and casting method of filler particles are not particularly limited, and the most suitable method can be selected depending on the purpose.
［３． 作用］
ハイブリッド自動車や電気自動車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）に用いられるフィルムコンデンサには、高性能化が求められている。コンデンサの性能の指標として、最大エネルギー密度（Ｕmax）がある。式（７）に、最大エネルギー密度Ｕmaxを示す。式（７）より、Ｕmaxを向上させるためには、材料の比誘電率と絶縁破壊強度を向上させる必要があることが分かる。
[3. Effect】
Film capacitors used in power control units (PCUs) of hybrid vehicles and electric vehicles are required to have higher performance. Maximum energy density (U max ) is an indicator of capacitor performance. Equation (7) shows the maximum energy density U max . From equation (7), it can be seen that in order to improve Umax , it is necessary to improve the dielectric constant and dielectric breakdown strength of the material.
Ｕmax＝１／２ε0εrＥBDS
2 …（７）
但し、
ε0：真空の誘電率、８．８５４×１０-12［Ｆ／ｍ］、
εr：誘電体フィルムの平均の比誘電率、
ＥBDS：誘電体フィルムの絶縁破壊強度（Ｖ／μｍ）
U max = 1/2ε 0 ε r E BDS 2 …(7)
however,
ε 0 : Dielectric constant of vacuum, 8.854×10 -12 [F/m],
ε r : average dielectric constant of dielectric film,
E BDS : Dielectric breakdown strength of dielectric film (V/μm)
ポリマーは、比誘電率は低いが、絶縁破壊強度が高い。そのため、ポリマは、フィルムコンデンサの誘電体として好適である。しかし、ポリマーは、フィルム化した際の不均質化によって比誘電率の温度依存性及び周波数依存性が大きくなる場合がある。比誘電率の温度依存性及び周波数依存性が過度に大きくなると、デバイスの動作周波数によっては使用できない可能性がある。
さらに、絶縁破壊強度は、比誘電率とトレードオフの関係にある。そのため、フィルムの比誘電率を向上させるために、比誘電率の高い無機材料とポリマーとを複合化させると、通常、絶縁破壊強度は低下する。
Polymers have a low dielectric constant but a high dielectric breakdown strength. Therefore, polymers are suitable as dielectrics for film capacitors. However, the temperature dependence and frequency dependence of the relative dielectric constant of the polymer may become large due to non-homogenization when the polymer is formed into a film. If the temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant become too large, the device may not be usable depending on the operating frequency of the device.
Furthermore, dielectric breakdown strength is in a trade-off relationship with dielectric constant. Therefore, when an inorganic material with a high dielectric constant and a polymer are combined with a polymer in order to improve the dielectric constant of the film, the dielectric breakdown strength usually decreases.
これに対し、ポリマーと無機材料とを含む複合誘電体材料において、無機材料として、ポリマーとほぼ同等の比誘電率を有し、かつ、ポリマーより比誘電率の温度依存性及び周波数依存性の小さい材料を用いると、複合誘電体材料の比誘電率の温度依存性及び周波数依存性を小さくすることができる。これは、無機材料の比誘電率がポリマーの比誘電率に近いために、無機材料の低温度依存性及び低周波数依存性が表れやすくなり、ポリマーの温度依存性及び周波数依存性が安定化するためと考えられる。 On the other hand, in a composite dielectric material containing a polymer and an inorganic material, as an inorganic material, it has a relative dielectric constant almost equivalent to that of the polymer, and the temperature dependence and frequency dependence of the relative permittivity is smaller than that of the polymer. By using this material, the temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant of the composite dielectric material can be reduced. This is because the dielectric constant of the inorganic material is close to that of the polymer, so the low temperature dependence and low frequency dependence of the inorganic material are more likely to appear, and the temperature dependence and frequency dependence of the polymer are stabilized. It is thought that this is for a reason.
また、このような方法により、複合誘電体材料の絶縁破壊強度の低下も抑制される。これは、無機材料の比誘電率がポリマーの比誘電率に近いために、電圧印加時にポリマーと無機材料に同等の電界が印加されるため、及び、これによって複合誘電体材料の絶縁破壊強度が、ポリマーのそれとほぼ同等に維持されるためと考えられる。 Moreover, such a method also suppresses a decrease in the dielectric breakdown strength of the composite dielectric material. This is because the dielectric constant of the inorganic material is close to that of the polymer, so when voltage is applied, the same electric field is applied to the polymer and the inorganic material, and this increases the dielectric breakdown strength of the composite dielectric material. This is thought to be due to the fact that it remains almost the same as that of the polymer.
（実施例１：ε2／ε1）
［１． 試験方法］
ポリマー（比誘電率：ε1）からなるマトリックス中に、無機材料（比誘電率：ε2）からなるフィラーが分散している複合誘電体材料について、比誘電率の温度依存性及び周波数依存性を計算により求めた。フィラーの体積割合は、２０ｖｏｌ％とした。ポリマーの温度依存性及び周波数依存性には、ポリフッ化ビニリデンの実測値を基準とした比誘電率を用いた。フィラーの温度依存性及び周波数依存性は無しとして、フィラーの比誘電率を変化させて計算した。
温度域を－４０℃～８０℃、周波数域を１Ｈｚ～１ＭＨｚに設定し、複合誘電体材料の比誘電率の温度依存性（＠１０ｋＨｚ）及び周波数依存性（＠２２℃）をそれぞれ求め、これらを基準値（ε2／ε1＝１での値）で規格化した。
(Example 1: ε 2 /ε 1 )
[1. Test method]
Temperature dependence and frequency dependence of the relative permittivity of a composite dielectric material in which a filler made of an inorganic material (relative permittivity: ε 2 ) is dispersed in a matrix made of a polymer (relative permittivity: ε 1 ) was determined by calculation. The volume ratio of the filler was 20 vol%. For the temperature dependence and frequency dependence of the polymer, the dielectric constant based on the actually measured value of polyvinylidene fluoride was used. Calculations were made by varying the dielectric constant of the filler, assuming that the filler had no temperature dependence or frequency dependence.
The temperature range was set to -40°C to 80°C and the frequency range was set to 1Hz to 1MHz, and the temperature dependence (@10kHz) and frequency dependence (@22°C) of the relative permittivity of the composite dielectric material were determined, respectively. was normalized by a reference value (value at ε 2 /ε 1 =1).
［２． 結果］
図１に、ε2／ε1と比誘電率の温度依存性との関係、及び、ε2／ε1と比誘電率の周波数依存性との関係を示す。図１より、以下のことが分かる。
（１）ε2／ε1が大きくなるほど、比誘電率の周波数依存性が低下した。
（２）ε2／ε1が約０．７の時に、比誘電率の温度依存性が極小値となった。
（３）ε2／ε1を０．２８～５．６６の範囲内とすると、温度依存性及び周波数依存性のいずれも基準値の±３０％以内に収まった。
[2. result]
FIG. 1 shows the relationship between ε 2 /ε 1 and the temperature dependence of the relative permittivity, and the relationship between ε 2 /ε 1 and the frequency dependence of the relative permittivity. From FIG. 1, the following can be seen.
(1) The frequency dependence of the relative dielectric constant decreased as ε 2 /ε 1 increased.
(2) When ε 2 /ε 1 was approximately 0.7, the temperature dependence of the relative permittivity reached a minimum value.
(3) When ε 2 /ε 1 was within the range of 0.28 to 5.66, both temperature dependence and frequency dependence were within ±30% of the reference value.
（実施例２：Ｖ2とεcomp／ε1の関係）
［１． 試験方法］
ポリマー（比誘電率：ε1）からなるマトリックス中に、無機材料（比誘電率：ε2）からなるフィラーが分散している複合誘電体材料について、フィラーの体積割合（Ｖ2）とεcomp／ε1との関係を計算により求めた。ε2／ε1は、０．２８～５．６６とした。また、εcomp／ε1は、基準値（Ｖ2＝０の値）で規格化した。
(Example 2: Relationship between V 2 and ε comp /ε 1 )
[1. Test method]
For a composite dielectric material in which a filler made of an inorganic material (relative permittivity: ε 2 ) is dispersed in a matrix made of a polymer (relative permittivity: ε 1 ), the filler volume ratio (V 2 ) and ε comp /ε 1 was determined by calculation. ε 2 /ε 1 was set to 0.28 to 5.66. Moreover, ε comp /ε 1 was normalized by a reference value (value of V 2 =0).
［２． 結果］
図２に、Ｖ2とεcomp／ε1との関係を示す。図２中に記載されている数値は、それぞれ、ε2／ε1を表す。図２より、以下のことが分かる。
（１）Ｖ2＝２０ｖｏｌ％の場合、ε2／ε1が０．２８～５．６６となるように、ポリマー及び無機材料の組み合わせを選択すると、εcomp／ε1を０．８０～１．３２の範囲内にすることができる。
（２）Ｖ2が２０ｖｏｌ％を超える場合であっても、ε2／ε1を１に近づけることにより、εcomp／ε1を０．８０～１．３２の範囲内にすることができる。
[2. result]
FIG. 2 shows the relationship between V 2 and ε comp /ε 1 . The numerical values listed in FIG. 2 each represent ε 2 /ε 1 . From FIG. 2, the following can be seen.
(1) When V 2 = 20 vol%, if a combination of polymer and inorganic material is selected so that ε 2 /ε 1 is 0.28 to 5.66, ε comp /ε 1 is 0.80 to 1. It can be within the range of .32.
(2) Even when V 2 exceeds 20 vol%, by bringing ε 2 /ε 1 close to 1, ε comp /ε 1 can be kept within the range of 0.80 to 1.32.
（実施例３、比較例１）
［１． 試験方法］
［１．１． 実施例３］
ＰＶＤＦからなるマトリックス中に、Ａｌ2Ｏ3からなるフィラーが分散している複合誘電体材料について、比誘電率の温度特性及び周波数特性、並びに、比誘電率の温度依存性及び周波数依存性を計算により求めた。
Ａｌ2Ｏ3の比誘電率の温度特性には、文献値（参考文献１）を用いた。図３に、Ａｌ2Ｏ3の比誘電率の温度特性（参考文献１より引用）を示す。ＰＶＤＦの比誘電率の周波数特性及び温度特性には、実測値を用いた。図４に、ＰＶＤＦ単膜の比誘電率の周波数特性及び温度特性を示す。Ｖ2は、５～３０ｖｏｌ％とした。
［参考文献１］Liang-Yu Chen, Proceedings:2007 8th International Conference on Electonic Packaging Technology
(Example 3, Comparative Example 1)
[1. Test method]
[1.1. Example 3]
Calculate the temperature and frequency characteristics of the dielectric constant, as well as the temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant, for a composite dielectric material in which a filler made of Al 2 O 3 is dispersed in a matrix made of PVDF. It was determined by
For the temperature characteristics of the dielectric constant of Al 2 O 3 , literature values (Reference Document 1) were used. FIG. 3 shows the temperature characteristics of the dielectric constant of Al 2 O 3 (cited from Reference 1). Actual measured values were used for the frequency characteristics and temperature characteristics of the dielectric constant of PVDF. FIG. 4 shows the frequency characteristics and temperature characteristics of the dielectric constant of a PVDF single film. V 2 was set at 5 to 30 vol%.
[Reference 1] Liang-Yu Chen, Proceedings:2007 8 th International Conference on Electonic Packaging Technology
［１．２． 比較例１］
Ａｌ2Ｏ3に代えて、２０ｖｏｌ％のＢａＴｉＯ3を用いた以外は、実施例３と同様にして、比誘電率の温度依存性及び周波数依存性を計算により求めた。ＢａＴｉＯ3の周波数特性及び温度特性には、実測値を用いた。
[1.2. Comparative example 1]
The temperature dependence and frequency dependence of the dielectric constant were calculated in the same manner as in Example 3, except that 20 vol% BaTiO 3 was used instead of Al 2 O 3 . Actual measured values were used for the frequency characteristics and temperature characteristics of BaTiO 3 .
［２． 結果］
［２．１． 周波数特性及び温度特性］
図５～図８に、Ａｌ2Ｏ3＿５～３０ｖｏｌ％／ＰＶＤＦ膜の比誘電率の周波数特性及び温度特性を示す。図３～８より、以下のことが分かる。
（１）Ａｌ2Ｏ3は、２００℃以下、及び／又は、１ＭＨｚ以下では比誘電率が安定している（図３参照）。この範囲でのＡｌ2Ｏ3の比誘電率は１０であり、ＰＶＤＦの比誘電率と同等であった。
（２）ＰＶＤＦ単膜では、比誘電率の温度依存性が大きい（図４参照）。これに対し、ＰＶＤＦにＡｌ2Ｏ3を添加すると、特に低周波数域における比誘電率の温度依存性が小さくなった（図５～図８参照）。
[2. result]
[2.1. Frequency characteristics and temperature characteristics]
5 to 8 show the frequency characteristics and temperature characteristics of the relative dielectric constant of the Al 2 O 3 _5 to 30 vol %/PVDF film. The following can be seen from Figures 3 to 8.
(1) Al 2 O 3 has a stable dielectric constant at temperatures below 200° C. and/or below 1 MHz (see FIG. 3). The dielectric constant of Al 2 O 3 in this range was 10, which was equivalent to that of PVDF.
(2) In a PVDF single film, the relative dielectric constant has a large temperature dependence (see FIG. 4). On the other hand, when Al 2 O 3 was added to PVDF, the temperature dependence of the relative dielectric constant became small, especially in the low frequency range (see FIGS. 5 to 8).
［２．２． 温度依存性］
図９に、ＰＶＤＦ単膜、Ａｌ2Ｏ3／ＰＶＤＦ膜、及びＢａＴｉＯ3／ＰＶＤＦ膜の各周波数での比誘電率の温度依存性を示す。図９より、以下のことが分かる。
（１）ＰＶＤＦ単膜と比較して、Ａｌ2Ｏ3／ＰＶＤＦ膜は、周波数によらず温度依存性が安定している。特に、１００Ｈｚ以下では、温度依存性の安定性が顕著である。Ａｌ2Ｏ3／ＰＶＤＦ膜は、１Ｈｚ～１ＭＨｚの温度依存性が１０ｋＨｚの温度依存性の３０％以内に収まっている。
（２）ＢａＴｉＯ3／ＰＶＤＦ膜では、ＰＶＤＦとＢａＴｉＯ3の比誘電率の差が大きいため、比誘電率の小さいＰＶＤＦの温度依存性の影響が抑制されていない。また、１Ｈｚの温度依存性が１０ｋＨｚの温度依存性の３０％以内に収まっていない。
[2.2. Temperature dependence]
FIG. 9 shows the temperature dependence of the relative dielectric constant at each frequency of a PVDF single film, an Al 2 O 3 /PVDF film, and a BaTiO 3 /PVDF film. From FIG. 9, the following can be seen.
(1) Compared to a PVDF single film, the Al 2 O 3 /PVDF film has stable temperature dependence regardless of frequency. In particular, below 100 Hz, temperature-dependent stability is remarkable. The temperature dependence of the Al 2 O 3 /PVDF film from 1 Hz to 1 MHz is within 30% of the temperature dependence at 10 kHz.
(2) In the BaTiO 3 /PVDF film, since the difference in dielectric constant between PVDF and BaTiO 3 is large, the influence of temperature dependence of PVDF, which has a small dielectric constant, is not suppressed. Further, the temperature dependence at 1 Hz is not within 30% of the temperature dependence at 10 kHz.
［２．３． 周波数依存性］
図１０に、ＰＶＤＦ単膜、Ａｌ2Ｏ3／ＰＶＤＦ膜、及びＢａＴｉＯ3／ＰＶＤＦ膜の各温度での比誘電率の周波数依存性を示す。図１１に、Ａｌ2Ｏ3／ＰＶＤＦ膜のＶ2とΔεfcomp（＠－２０℃）／Δεfcomp（＠２２℃）との関係を示す。なお、「Δεfcomp（＠Ｔ）」は、Ｔ℃でのＡｌ2Ｏ3／ＰＶＤＦ膜の周波数依存性を表す。図１０及び図１１より、以下のことが分かる。
[2.3. Frequency dependence]
FIG. 10 shows the frequency dependence of the relative dielectric constant at each temperature of a PVDF single film, an Al 2 O 3 /PVDF film, and a BaTiO 3 /PVDF film. FIG. 11 shows the relationship between V 2 and Δε fcomp (@-20°C)/Δε fcomp (@22°C) of the Al 2 O 3 /PVDF film. Note that "Δε fcomp (@T)" represents the frequency dependence of the Al 2 O 3 /PVDF film at T°C. The following can be seen from FIGS. 10 and 11.
（１）ＰＶＤＦ単膜と比較して、Ａｌ2Ｏ3／ＰＶＤＦ膜はどの温度でも周波数依存性が低く、かつ、安定している（図１０参照）。特に、４０℃以上の高温では、周波数依存性の安定性が顕著である。
（２）Ａｌ2Ｏ3／ＰＶＤＦ膜の周波数依存性は、－２０℃で最大となった（図１０参照）。一方、Ａｌ2Ｏ3の体積割合（Ｖ2）を５ｖｏｌ％より多くすると、－２０℃での周波数依存性は、２２℃での周波数依存性の３０％以内に収まった（図１１参照）。図１０及び図１１より、Ａｌ2Ｏ3を５ｖｏｌ％以上添加すると、－４０～８０℃の周波数依存性が２２℃の周波数依存性の３０％以内に収まることが分かる。
(1) Compared to a PVDF single film, the Al 2 O 3 /PVDF film has lower frequency dependence and is more stable at any temperature (see FIG. 10). In particular, the stability of frequency dependence is remarkable at high temperatures of 40° C. or higher.
(2) The frequency dependence of the Al 2 O 3 /PVDF film was maximum at −20° C. (see FIG. 10). On the other hand, when the volume fraction (V 2 ) of Al 2 O 3 was increased to more than 5 vol%, the frequency dependence at -20°C was within 30% of the frequency dependence at 22°C (see FIG. 11). From FIGS. 10 and 11, it can be seen that when Al 2 O 3 is added in an amount of 5 vol % or more, the frequency dependence at -40 to 80° C. falls within 30% of the frequency dependence at 22° C.
（３）ＢａＴｉＯ3／ＰＶＤＦ膜は、ＢａＴｉＯ3の比誘電率が高いために、２０℃以下ではＰＶＤＦ単膜に比べて周波数依存性が大きい（図１０参照）。また、４０℃以上の高温では、ＰＶＤＦの影響を抑制できていない。さらに、６０℃以上の周波数依存性は、２２℃での周波数依存性の３０％を超えていた。 (3) BaTiO 3 /PVDF film has greater frequency dependence than a PVDF single film at temperatures below 20° C. due to the high dielectric constant of BaTiO 3 (see FIG. 10). Further, at high temperatures of 40° C. or higher, the influence of PVDF cannot be suppressed. Furthermore, the frequency dependence above 60°C was more than 30% of the frequency dependence at 22°C.
（実施例４～６、比較例２～３）
［１． 試料の作製］
［１．１． 実施例４～６、比較例２］
キャスト法を用いて、ＰＶＤＦ中にＡｌ2Ｏ3フィラーが分散している複合誘電体フィルムを作製した。Ａｌ2Ｏ3フィラーの体積割合（Ｖ2）は、５ｖｏｌ％（比較例２）、１０ｖｏｌ％（実施例４）、２０ｖｏｌ％（実施例５）、又は、３０ｖｏｌ％（実施例６）とした。図１２に、複合誘電体に含まれるＡｌ2Ｏ3フィラーのＸＲＤパターンを示す。図１３に、複合誘電体に含まれるＡｌ2Ｏ3フィラーの粒度分布を示す。
［１．２． 比較例３］
キャスト法を用いて、ＰＶＤＦフィルムを作製した。
(Examples 4-6, Comparative Examples 2-3)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Examples 4 to 6, Comparative Example 2]
A composite dielectric film in which Al 2 O 3 filler was dispersed in PVDF was produced using a casting method. The volume ratio (V 2 ) of the Al 2 O 3 filler was 5 vol% (Comparative Example 2), 10 vol% (Example 4), 20 vol% (Example 5), or 30 vol% (Example 6). FIG. 12 shows the XRD pattern of the Al 2 O 3 filler contained in the composite dielectric. FIG. 13 shows the particle size distribution of the Al 2 O 3 filler contained in the composite dielectric.
[1.2. Comparative example 3]
A PVDF film was produced using a casting method.
［２． 試験方法］
［２．１． 比誘電率、絶縁破壊強度、最大エネルギー密度］
フィルムの両面に電極を形成し、インピーダンスアナライザを用いてフィルムの比誘電率を測定した。また、高耐圧試験器を用いて、フィルムの絶縁破壊強度を測定した。
さらに、上述した式（７）を用いて最大エネルギー密度を算出した。
［２．２． 分散度］
フィルムの断面をＳＥＭで観察し、フィラーの重心間距離の平均値及び平均偏差を求めた。さらに、上述した式（６）を用いて、分散度を測定した。
[2. Test method]
[2.1. Relative permittivity, dielectric breakdown strength, maximum energy density]
Electrodes were formed on both sides of the film, and the dielectric constant of the film was measured using an impedance analyzer. In addition, the dielectric breakdown strength of the film was measured using a high voltage tester.
Furthermore, the maximum energy density was calculated using the above-mentioned equation (7).
[2.2. degree of dispersion]
The cross section of the film was observed with a SEM, and the average value and average deviation of the distance between filler centers of gravity were determined. Furthermore, the degree of dispersion was measured using the above-mentioned formula (6).
［３． 結果］
［３．１． 比誘電率、絶縁破壊強度、最大エネルギー密度］
表１に、各フィルムの比誘電率、絶縁破壊強度、及び最大エネルギー密度を示す。表１より、以下のことが分かる。
（１）複合誘電体フィルムの比誘電率、絶縁破壊強度、及び最大エネルギー密度は、いずれもＰＶＤＦのそれらとほぼ同等であった。これは、Ａｌ2Ｏ3の比誘電率がＰＶＤＦのそれに近いためである。
[3. result]
[3.1. Relative permittivity, dielectric breakdown strength, maximum energy density]
Table 1 shows the dielectric constant, dielectric breakdown strength, and maximum energy density of each film. From Table 1, the following can be seen.
(1) The dielectric constant, dielectric breakdown strength, and maximum energy density of the composite dielectric film were all approximately equivalent to those of PVDF. This is because the dielectric constant of Al 2 O 3 is close to that of PVDF.
［３．２． 分散度］
図１４に、Ａｌ2Ｏ3＿５～３０ｖｏｌ％／ＰＶＤＦ膜の断面ＳＥＭ像と分散度を示す。図１４より、以下のことが分かる。
（１）比較例２、実施例４～６の分散度は、いずれも０．６未満であった。ＰＶＤＦにＡｌ2Ｏ3を添加しても絶縁破壊強度がほとんど低下しなかったのは、フィラーの分散度が低いため（Ａｌ2Ｏ3の分散性が良好であるため）と考えられる。
（２）Ａｌ2Ｏ3の体積分率が大きくなるほど、分散度が低下する傾向が見られた。
[3.2. degree of dispersion]
FIG. 14 shows a cross-sectional SEM image and dispersion degree of the Al 2 O 3 _5 to 30 vol%/PVDF film. From FIG. 14, the following can be seen.
(1) The degree of dispersion of Comparative Example 2 and Examples 4 to 6 was less than 0.6. The reason why the dielectric breakdown strength hardly decreased even when Al 2 O 3 was added to PVDF is considered to be because the degree of dispersion of the filler is low (because the dispersibility of Al 2 O 3 is good).
(2) There was a tendency for the degree of dispersion to decrease as the volume fraction of Al 2 O 3 increased.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る誘電体フィルムは、ハイブリッド車やＨＶ車のＰＣＵに用いられるコンデンサの誘電体として使用することができる。 The dielectric film according to the present invention can be used as a dielectric of a capacitor used in a PCU of a hybrid vehicle or HV vehicle.
Claims (3)
（１）前記複合誘電体材料は、
ポリマーからなるマトリックスと、
前記マトリックス中に分散している無機材料からなるフィラーと
を備え、
前記ポリマーは、ポリフッ化ビニリデンからなり、
前記無機材料は、Ａｌ 2 Ｏ 3 からなる。
（２）前記複合誘電体材料は、次の式（３）を満たす。
６．５≦Ｖ 2 ≦３０．０ …（３）
但し、
Ｖ 2 は、前記複合誘電体材料に含まれる前記フィラーの体積割合（ｖｏｌ％）。 A composite dielectric material with the following configuration:
(1) The composite dielectric material is
a matrix made of polymer;
and a filler made of an inorganic material dispersed in the matrix,
The polymer consists of polyvinylidene fluoride,
The inorganic material consists of Al 2 O 3 .
(2) The composite dielectric material satisfies the following formula (3).
6.5≦V 2 ≦30.0…(3)
however,
V 2 is the volume percentage (vol%) of the filler contained in the composite dielectric material.
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