JPH1029205A - ジルコニア薄膜の製造方法 - Google Patents

ジルコニア薄膜の製造方法

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JPH1029205A
JPH1029205A JP8187402A JP18740296A JPH1029205A JP H1029205 A JPH1029205 A JP H1029205A JP 8187402 A JP8187402 A JP 8187402A JP 18740296 A JP18740296 A JP 18740296A JP H1029205 A JPH1029205 A JP H1029205A
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JP
Japan
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thin film
zirconia
temperature
green sheet
solvent
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JP8187402A
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Masayuki Kudo
正行 工藤
Toshihiko Okamura
敏彦 岡村
Hironari Osada
裕也 長田
Yoshitaka Kubota
吉孝 窪田
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Tosoh Corp
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Tosoh Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、結合剤、分散剤、消泡剤、可
塑剤及び溶剤等の添加量を極力少なくして、良好なグリ
ーンシートを成形することが出来る新規なジルコニア薄
膜の製造方法を提供することにある。 【解決手段】一次粒子径が500〜800オングストロ
ームであり、その表面積が3〜10m2/gであり、安
定化剤を含有するジルコニア粉末に、結合剤、分散剤、
消泡剤、可塑剤及び溶剤を添加してスラリーを調製し、
このスラリーを真空脱泡し、溶剤の蒸発により粘度を調
整してからドクターブレード装置を使用してキャリアー
フィルム上にグリーンシートを成膜し、アルミナセッタ
ーを使用して焼結することを特徴とするジルコニア薄膜
の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、焼結時のクラック
の発生が少ないジルコニア薄膜の製造方法に関し、この
ジルコニア薄膜は高温で酸素イオン導電性を有する固体
電解質として使用され、その用途としては、酸素センサ
ーや固体電解質型燃料電池の主要部材として利用されて
いる。
【0002】
【従来の技術】従来のジルコニア薄膜の製造方法として
は、ジルコニア粉末に、結合剤、分散剤、消泡剤、可塑
剤及び溶剤を添加してスラリーを調製し、このスラリー
を真空脱泡し、溶剤の蒸発により粘度を調整してからド
クターブレード装置を使用して成膜する方法が一般的で
ある。
【0003】しかしながら、従来のジルコニア粉末を使
用すると、結合剤、分散剤、消泡剤、可塑剤及び溶剤等
の添加量が大量に必要となり、ドクターブレード装置を
使用して製造されるグリーンシートのヒビ割れ、焼結時
のクラック等のトラブルの発生が少なくなく、この添加
量を極力少なくして、良好なグリーンシートを成形する
ことが出来る新規なジルコニア薄膜の製造方法の開発が
望まれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、結合
剤、分散剤、消泡剤、可塑剤及び溶剤等の添加量を極力
少なくして、良好なグリーンシートを成形することが出
来る新規なジルコニア薄膜の製造方法を提供することに
ある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、一次粒子径が500〜800オングストロ
ームであり、その表面積が3〜10m2/gであり、安
定化剤を含有するジルコニア粉末を使用すると、グリー
ンシートのヒビ割れ、焼結時のクラック等のトラブルの
発生が少なく、良好なグリーンシートを成形することが
出来ることを見出だして、本発明を完成した。
【0006】即ち、本発明は、一次粒子径が500〜8
00オングストロームであり、その表面積が3〜10m
2/gであり、安定化剤として、例えばイットリアを8
モル%含有するジルコニア粉末に、結合剤、分散剤、消
泡剤、可塑剤及び溶剤を添加してスラリーを調製し、こ
のスラリーを真空脱泡し、溶剤の蒸発により粘度を調整
してからドクターブレード装置を使用してキャリアーフ
ィルム上にグリーンシートを成膜し、アルミナセッター
を使用して焼結することを特徴とするジルコニア薄膜の
製造方法である。このジルコニア粉末を使用すると、結
合剤、分散剤、消泡剤、可塑剤及び溶剤との親和性が向
上して、それらの添加量が少なくてすむようになる。こ
のことにより、グリーンシートのヒビ割れ、焼結時のク
ラック等のトラブルの発生が少なく、良好なグリーンシ
ートを成形することが出来るようになる。
【0007】尚、安定化剤としては、イットリア以外に
も、カルシア、マグネシア、セリア等が使用可能であ
る。
【0008】本発明で使用する結合剤は、有機溶媒系結
合剤であればどの結合剤でもよいが、ブチラール樹脂や
アクリル樹脂が例示される。この結合剤はグリーンシー
トの強度を高める役割があり、ブチラール樹脂はグリー
ンシートの加工性、寸法安定性に優れ、セラミックス粒
子との接着性が強く好ましい。
【0009】また、アクリル樹脂は、低温分解性に優
れ、また溶剤量を少なくする事ができるので、シートが
厚い場合に適している。
【0010】また、結合剤の添加量については、少な過
ぎると成膜したグリーンシートの強度は低く、ヒビ割れ
が起こり、逆に多すぎると脱脂時に、グリーンシートに
クラックが発生する等のトラブルが発生しやすく、通常
は0.5〜10重量%程度の添加量が好ましい。
【0011】本発明では、分散剤も使用するが、この分
散剤は一次粒子の凝集を防いでジルコニア粒子を分散さ
せ、グリーンシートの充填密度を高める。
【0012】分散剤は大別して、低分子型分散剤と高分
子型分散剤とに分けられるが、低分子型分散剤として
は、ノニオン系分散剤等が例示され、高分子型分散剤と
しては、ポリカルボン酸エステル型高分子分散剤等が例
示される。
【0013】本発明で使用される消泡剤の役割は、分散
工程での気泡の発生を抑制して、分散を十分にすること
である。この消泡剤として、ポリエチレングリコールモ
ノ−パラ−イソ−オクチルフェニルエーテルが例示され
る。
【0014】本発明で使用される可塑剤は、グリーンシ
ートの可塑化効果、結合剤の代替効果、セラミックス原
料の湿潤効果を有する。この可塑剤の選択には、結合剤
との相溶性が大きな判断材料となり、結合剤にブチラー
ル樹脂を使用する場合、フタル酸ジブチル(DBP)や
フタル酸ジオクチル(DOP)が例示される。
【0015】本発明では分散媒として、有機系の溶剤が
使用される。溶剤は、その使用時において換気や排ガス
処理が必要であるが、グリーンシートの乾燥及びスラリ
ーの粘度調整が容易となる利点を有する。溶剤の選択に
あたっては、結合剤にブチラール樹脂を使用する場合、
ブチラール樹脂が大量に溶解し、及び比較的毒性が少な
いことから、酢酸エステルが好ましい。
【0016】ジルコニア粉末と結合剤、分散剤、消泡
剤、可塑剤及び溶剤をボールミル等で混合してスラリー
を作製するが、クレーター状、突起状等の欠陥のない平
滑な表面を有するグリーンシートを得るには、スラリー
中におけるジルコニア粉末の分散を良好にすることが重
要である。そのため、ジルコニア粉末、分散剤、消泡剤
及び溶剤を混合分散した後、結合剤及び可塑剤を添加
し、十分混合することが好ましい。
【0017】グリーンシートの焼結は、例えば、足付き
アルミナセッター上に、焼結用敷粉を敷き、その間にグ
リーンシートを挟み、その上に重しのセッターを乗せ
て、電気炉内に積み重ねる。この際に使用するアルミナ
セッターは、緻密質よりも多孔質の方が、脱脂が容易で
あり好ましく、気孔率10容量%以上の多孔質アルミナ
セッターを使用するのが好ましい。
【0018】また、昇温速度は、速い方が作業効率の面
からは好ましいが、グリーンシートの脱脂をする温度領
域(室温〜450℃)では、添加剤が昇華せずに溶けて
グリーンシートから除去できなかったり、一時に大量の
ガスが発生するため、昇温はゆるやかにした方が好まし
く、5℃/時間程度が好ましい。又、この温度領域での
昇温後、1〜20時間程度、その温度に保持してもよ
い。
【0019】その上の温度領域(450〜1000℃)
では焼結はまだ起こらず、特に収縮が起こらない為、昇
温速度は遅くする必要がなく、50℃/時間程度が好ま
しい。又、この温度領域での昇温後、1〜10時間程
度、その温度に保持してもよい。
【0020】その上の温度領域(1000℃〜焼結温
度)では、収縮が起きる為、昇温速度が速すぎると薄膜
内の温度分布が不均一となり、反りや歪み等のトラブル
が発生するため、昇温はゆるやかにした方が好ましく、
5℃/時間程度が好ましい。また、ヒーターの放射熱を
直接焼結体にあてない方が、薄膜内の温度分布を均一に
するために好ましい。
【0021】従って、昇温の方法としては、温度領域を
3つに分け、室温から450℃までは、ゆっくり昇温し
て脱脂し、その上の温度領域(450〜1000℃)で
は、昇温速度は速くし、最後の温度領域(1000℃〜
焼結温度)では、ゆっくり昇温して焼結する方法が好ま
しい。
【0022】又、焼結温度は、通常、1350〜160
0℃であるが、1400〜1500℃の温度が好まし
い。
【0023】
【実施例】以下の実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例により何等限定されるも
のでない。
【0024】実施例1 内径130mm、容量3リットルの樹脂製ポットに直径
10mmのジルコニアボールを1/3の高さまで入れ、
一次粒子径が530オングストロームであり、その二次
粒子径が0.58μmであり、その表面積が5.8m2
/gであり約8モル%のイットリアを含有する安定化ジ
ルコニア粉末700g、分散剤として市販のポリカルボ
ン酸エステル型高分子分散剤14g、消泡剤として市販
のポリエチレングリコールモノ−パラ−イソ−オクチル
フェニルエーテル試薬3.5g、溶剤として酢酸エチル
245g及び酢酸n−ブチル245gを入れ、回転式ボ
ールミルで混合分散し、さらに、結合剤としてブチラー
ル樹脂(重合度約1000)粉末49g、及び可塑剤と
して、工業用のフタル酸ジオクチル42gを添加して引
き続き回転式ボールミルで混合した。48時間混合した
後、開口径が500μmのナイロン製篩にて、ジルコニ
アボール、僅かに溶け残った塊状の内容物とスラリーに
分離した。
【0025】ドクターブレード装置(東北電機鉄工社
製)およびブレード(津川精機製作所社製)を使用し、
キャリヤーフィルムとして離型用PETフィルムRFT
−188(帝人社製)を使用し、キャリアーフィルム上
にグリーンシートを以下の条件で成膜した。
【0026】 第1ブレードの高さ 1.20mm 第2ブレードの高さ 1.05mm キャリアーフィルムの送り速度 50cm/分 得られたグリーンシートの厚さは約340ミクロンであ
り、密度は約3.6g/cm3であった。
【0027】このグリーンシートを、気孔率16%の足
付き多孔性アルミナセッター上に、アルミナとカーボン
の混合粉が紙状に成形されたものを2枚置き、その間
に、グリーンシートを挟み、その上に重しのアルミナセ
ッターを乗せ、これを1ユニットにして、電気炉内に積
み重ねた。
【0028】室温から450℃までは、5℃/時間とゆ
っくりした速度で昇温し、450℃で10時間保持して
脱脂した。450℃から1000℃までは50℃/時間
と速い速度で昇温し、1000℃で5時間保持し、その
後1450℃まで5℃/時間とゆっくりした速度で昇温
し、1450℃で5時間保持して焼結した。
【0029】得られたジルコニア薄膜にはクラック及び
変形もなく、5.9g/cm3と高密度であり、良好な
薄膜であった。
【0030】実施例2 一次粒子径が720オングストロームであり、その二次
粒子径が0.77μmであり、その表面積が3.9m2
/gであり約8モル%のイットリアを含有する安定化ジ
ルコニア粉末を使用する以外は実施例1と同じ条件でジ
ルコニア薄膜を得た。その薄膜にはクラック及び変形も
なく、5.9g/cm3と高密度であり、良好なジルコ
ニア薄膜であった。
【0031】比較例1 一次粒子径が218オングストロームであり、その二次
粒子径が1.61μmであり、その表面積が16.4m
2/gであり約8モル%のイットリアを含有する安定化
ジルコニア粉末を使用し、実施例1と同じ条件、特に結
合剤の量を同じにしてグリーンシートを作製した。しか
しながら、グリーンシートの強度が保たれず形状を維持
できなかった。
【0032】比較例2 比較例1の安定化ジルコニア粉末を使用し、結合剤の使
用量を70gに多くしてジルコニア薄膜を作製した。そ
の薄膜は、5.9g/cm3と高密度であったが、クラ
ックが発生し、反り等の変形が生じた。
【0033】
【発明の効果】本発明の方法により、結合剤が少なくて
も、高密度でクラックや反り等の変形が全くない良好な
ジルコニア薄膜が得られる。このジルコニア薄膜は高温
で酸素イオン導電性を有する固体電解質として使用さ
れ、その用途としては、酸素センサーや固体電解質型燃
料電池の主要部材として利用されることが期待される。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一次粒子径が500〜800オングストロ
    ームであり、その表面積が3〜10m2/gであり、安
    定化剤を含有するジルコニア粉末に、結合剤、分散剤、
    消泡剤、可塑剤及び溶剤を添加してスラリーを調製し、
    このスラリーを真空脱泡し、溶剤の蒸発により粘度を調
    整してからドクターブレード装置を使用してキャリアー
    フィルム上にグリーンシートを成膜し、アルミナセッタ
    ーを使用して焼結することを特徴とするジルコニア薄膜
    の製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のジルコニア粉末の二次粒
    子径が0.5〜3μmであることを特徴とするジルコニ
    ア薄膜の製造方法。
  3. 【請求項3】請求項1又は請求項2に記載のジルコニア
    薄膜の製造方法において、焼結に使用するアルミナセッ
    ターが多孔質であることを特徴とするジルコニア薄膜の
    製造方法。
  4. 【請求項4】請求項1〜3に記載のジルコニア薄膜の製
    造方法における焼結において、室温から450℃まで1
    〜10℃/時間の速度で昇温し、1000℃まで20〜
    70℃/時間の速度で昇温し、1350〜1600℃の
    焼結温度まで1〜10℃/時間の速度で昇温することを
    特徴とするジルコニア薄膜の製造方法。
  5. 【請求項5】請求項1〜4に記載のジルコニア薄膜の製
    造方法において、結合剤として、重合度900以上15
    00以下のブチラール樹脂を使用することを特徴とする
    ジルコニア薄膜の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012507420A (ja) * 2008-10-31 2012-03-29 コーニング インコーポレイテッド セラミックシートをキャスティングするための方法および装置
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