JPWO2011155078A1 - 電気エネルギー蓄積装置 - Google Patents

Abstract

この発明は、小型で、かつ、大容量の大きな電気エネルギーを得ることができる電気エネルギー蓄積装置を提供する。この発明の電気エネルギー蓄積装置は、第一電極４、誘電体層６、第二電極７を備えた電気エネルギー蓄積装置１において、第一電極４と誘電体層６との間および第二電極７と誘電体層６との間に、金属あるいは半導体あるいは表面改質したセラミックからなる集電子体の微粒子５ａにより構成された集電子体層６を形成することを特徴とする。

Description

この発明は、大容量で大きな電気エネルギーを得ることができる小型の電気エネルギー蓄積装置に関する。

電気エネルギー蓄積装置として大容量のキャパシタを利用する場合は、電解キャパシタや積層セラミックキャパシタなどが一般的に用いられている。近年電気自動車を代表に大容量バッテリーヘのニーズからリチウムイオン電池の大容量化が進むとともに電解キャパシタを機能拡張した電気二重層電池の開発が盛んに行われている。また、積層セラミックキャパシタも薄膜方式での大容量化の研究が開始されている。

しかしながら、積層セラミックキャパシタなどの所謂コンデンサには、総合的な性能を低下させる電流リークの問題があった。また、リチウムイオン電池などの化学変化により電気エネルギーを蓄積する所謂電池は、充電／放電が部分的に行われるとメモリ効果の問題により性能が低下するという問題があった。

このような問題を解決するために、例えば、特許文献１〜３に巨大磁気抵抗効果を利用した電気エネルギー蓄積装置が提案されている。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto-resistance Effect）とは、薄い磁性セクションと薄い非磁性セクションとが交互に形成された構造中でみられる量子力学的効果である。外部磁界が印加されると、巨大磁気抵抗効果によりゼロ磁場の高抵抗状態から高磁場の低抵抗状態へと電気抵抗が大幅に変化する。そのため、巨大磁気抵抗効果は、良好な性能を有する絶縁体として利用することができ、巨大磁気抵抗効果を有する装置は、電気エネルギーを蓄積することができる。
特開２００８−１７７５３５号公報 特開２００８−１７７５３６号公報 特開２００９−０４９３５１号公報

特許文献１〜３に記載された電気エネルギー蓄積装置は、磁性セクションが薄膜で形成されているため、容量を増大するためには磁性セクションを２次元方向に拡大して面積を増やすことが考えられるが、その場合、装置の小型化が困難になるという問題があった。

また、電気二重層電池は、使用される材料がカーボンであるために大電圧や大電流を取り出すことが困難であり、大きな電気エネルギーを得ることが困難であった。

そこで、本発明は、小型で、かつ、大容量で大きな電気エネルギーを得ることができる電気エネルギー蓄積装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、導電性材料で形成された第一の電極と、導電性材料で形成され前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された誘電体層と、を備えている電気エネルギー蓄積装置において、前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、金属、半導体物質又は導電的表面改質されたセラミックスの微粒子などにより構成された集電子体（以下「集電子体」という。）により集電子体層が形成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記集電子体層の微粒子が、磁性材料で形成されていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記集電子体層の微粒子が、着磁されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、導電性材料で形成された複数の第一の電極と、導電性材料で形成され複数の前記第一の電極とそれぞれ向かい合うように位置付けられている複数の第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された複数の誘電体層と、を備えている電気エネルギー蓄積装置において、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれた前記誘電体層が順次積層されており、前記複数の第一の電極同士を接続する配線と、前記複数の第二の電極同士を接続する配線と、を備え、前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間には、前記集電子体層が形成されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、導電性材料で形成された複数の第一の電極と、導電性材料で形成され複数の前記第一の電極とそれぞれ向かい合うように位置付けられている複数の第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された複数の誘電体層とを備えている電気エネルギー蓄積装置において、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれた前記誘電体層が順次積層されており、前記複数の第一の電極同士を接続する積層電極接合用縦層電極と、前記複数の第二の電極同士を接続する積層電極接合用縦層電極と、を備え、前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間には、金属あるいは半導体あるいは表面改質セラミックにより構成された集電子体層が形成されていることを特徴とするものである。

以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、第一の電極と誘電体層との間および第二の電極と誘電体層との間に、集電子体層が形成されているので、第一の電極および第二の電極の表面積を拡大することができ、そのために蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。また、微粒子が金属など非カーボン材料で形成されているので、大電圧や大電流を取り出すことができ、大きな電気エネルギーを得ることができる。また、各電極と誘電体層を薄膜で形成し、集電子体の粒径がナノオーダー付近の微粒子を用いることで装置の小型化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、集電子体層の微粒子が、磁性材料で形成されているので、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加した場合に、電界により微粒子の磁性性能による集電率の向上が可能になり、より多くの電気エネルギーを蓄積することができる。
請求項３に記載の発明によれば、集電子体層の微粒子が、予め着磁されているので、後から着磁する必要が無く、そのための回路や装置等も必要なくなる。

請求項４に記載の発明によれば、複数の第一の電極と、複数の第二の電極と、複数の誘電体層と、複数の第一の電極同士を接続する配線と、複数の第二の電極同士を接続する配線と、を備え、第一の電極と第二の電極に挟まれた誘電体層が順次積層されているので、それぞれが配線によって並列に接続されるので、単層よりも蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。また、微粒子が金属あるいは半導体あるいは表面改質セラミックで形成されているので、大電圧や大電流を取り出すことができ、大きな電気エネルギーを得ることができる。また、各電極と誘電体層を薄膜で形成し集電子体がナノオーダー付近の微粒子を用いることで装置の小型化を図ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、第一電極（集電子体層）と第二電極（集電子体層）に挟まれた誘電体層が複数積層されて、それぞれが第一及び第二の積層電極接合用縦層電極によって並列に接続されるので、単層よりもさらに蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。

本発明の第１の実施形態にかかる電気エネルギー蓄積装置を模式的に示した断面図である。 図１に示された電気エネルギー蓄積装置の電極と微粒子層を模式的に示した拡大図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電気エネルギー蓄積装置を模式的に示した断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる電気エネルギー蓄積装置を模式的に示した断面図である。

１ 電気エネルギー蓄積装置
４ 第一電極（第一の電極）
５ 集電子体層（金属、半導体又は表面改質セラミックからなる集電子体層）
５ａ 集電子体層の微粒子
６ 誘電体層
７ 第２電極（第二の電極）
１０ 第一の積層電極接合用縦層電極（複数の第一の電極同士を接続する電極）
１１ 第二の積層電極接合用縦層電極（複数の第二の電極同士を接続する電極）
１２ 積層電極接合用縦層電極で第一の電極と第二の電極が交互に接合される様にマスキングで埋められた誘電体層

以下にこの発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。

次に、本発明の実施例１を図１および図２を参照して説明する。図１に示す電気エネルギー蓄積装置１は、支持基板２と、バッファ層３と、第一電極４と、集電子体層５と、誘電体層６と、第二電極７と、端子８、９と、を備えている。

支持基板２は、特に限定しないが、例えば、シリコン単結晶、ＳｉＧｅ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＩｎＰ単結晶、ＳｒＴｉO３単結晶、ＭｇO単結晶、ＬａＡｌO３単結晶、ＺｒO２単結晶、ＭｇＡｌ２O４単結晶、ＮｄＧａO３単結晶、ＮｄＡＩO３単結晶、ＬａＧａO３単結晶あるいはガラス基材などによって、形成することができる。これらの中では、低コストのため、シリコン単結晶が最も好ましい。また、支持基板２の厚さは、電気エネルギー蓄積装置１全体の機械的強度を確保することができれば、とくに限定されるものではなく、例えば、１０ないし１０００μｍ程度に設定すればよい。

バッファ層３は、支持基板２の上層に形成され、支持基板２と第一電極４を構成する電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての役割を果たす。バッファ層３を形成するための材料は、例えば、ＺｒO２、ＲｅO２、ＲｅO２−ＺｒO２（Ｒｅはイットリウム（Ｙ）または希土類元素）、ＭｇＡｌO４、γ一Ａ１２O３、ＳｒＴｉO３、ＬａＡｌO３などによって、形成することができる。具体的には、これらの中から、支持基板２との格子整合性に優れ、熱膨張係数が、支持基板２と誘電体層６を構成する薄膜材料の間にある材料を選択して、バッファ層３を形成することが好ましい。また、バッファ層３は単層構造であっても、多層構造であってもよい。そして、バッファ層３の厚さは、支持基板２と第一電極４を構成する電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての機能を確保することができれば、特に限定されず、例えば、１ないし１０００ｎｍ程度に設定すればよい。

なお、バッファ層３は設けなくてもよい。バッファ層３を設けない場合は、支持基板２の表面に、第一電極４を形成する。

第一電極４は、バッファ層３の上層に薄膜に形成され、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニゥム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの導電性の金属によって、形成することができる。具体的には、これらの材料の中から、支持基板２あるいはバッファ層３との格子整合性に優れた材料を選択して形成することが好ましい。また、第一電極４の電極薄膜の厚さは、薄膜キャパシタの一方の電極として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、５００〜２０００ｎｍ程度に設定すればよい。

集電子体層５は、金属、半導体物質又は導電的表面改質されたセラミックスの微粒子などにより構成されるが、本実施例の集電子体層５は、集電子体の微粒子５ａ（図２を参照）の積層をスパッタリング法などにより、第一電極４の表面（上層）に粒子径を制御しながら成形する。粒子径は２００〜２０００ｎｍ程度で設定され、積層数は５〜２０層程度で成形され合わせて１μｍ〜２μｍ程度の厚みに複合積層される（図２は２層の例である）。微粒子５ａの材料は、磁性材料として、鉄コバルト合金などの軟磁性材料あるいはマンガン酸化物のようにコロッサル効果（超巨大磁気抵抗効果）により磁性抵抗が常温で極めて高い材料を選定する。また、微粒子５ａの材料として、第一電極４と同一の材料、即ち磁性材料ではない導電性の金属を用いてもよい。微粒子５ａの材料として第一電極４と同一の材料の場合は電極の表面積を１００〜１０００倍に増大させることができる。また、磁性材料を用いた場合は磁界の集電効果により電気エネルギーの蓄積量をさらに５０〜１００倍に増大させることができる。

誘電体層６は、第一電極４に積層した集電子体層５の上層に形成される。誘電体層６の材料としては高い誘電率を持つ材料、例えばチタン酸バリウムで形成される。誘電体層６は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）、有機金属化学気相成長法（metal-organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）、有機金属分解法（metal-organicdeacomposition：ＭＯＤ）やゾル・ゲル法などの液相法（ＣＳＤ法）などの各種薄膜形成法を用いて形成することができる。特に低温で、誘電体層６を形成する必要がある場合には、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ、レーザーＣＶＤ、光ＣＳＤ、レーザーＣＳＤ法を用いることが好ましい。なお、誘電体層６は、図１に示したように各層を薄膜で形成して（集電子体層５は微粒子のまま層を形成して）順次積層するため固体に形成される誘電体を用いる。

誘電体層６の表面（上層〉には、第一電極４と同様に集電子体層５をスパッタリング法などにより粒子径を制御しながら成形する。粒子系は２００〜２０００ｎｍ程度で設定され、積層数は５層程度で成形され合わせて１μｍ〜２μｍ程度の厚みに複合積層される。

第二電極７は、誘電体層６の上層に形成した集電子体層５の上層に薄膜に形成されている。第二電極７は、導電性を有していれば特に限定されるものではなく、第一電極４と同様な材料によって形成することができるが、格子整合性を考慮する必要はなく、また、室温で形成することができるから、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）などの卑金属や、ＷＳｉ、ＭｏＳｉなどの合金を用いて形成することもできる。また、第二電極７の電極薄膜の厚さは、薄膜キャパシタの他方の電極として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、１０００〜１００００ｎｍ程度に設定すればよい。

端子８は、第一電極４から引き出され、図示しない入出力回路等と接続するための一方の端子であり、端子８を引き出すために第一電極４は表出してマスキングで部分露出が行われている。端子９は、第二電極７から引き出され、図示しない入出力回路等と接続するための他方の端子である。

上述したように形成することで、第一電極４と誘電体層６および第２電極７と誘電体層６の間に集電子体層５が形成される。

上述した電気エネルギー蓄積装置１は、図示しない電源装置などに端子８、９を接続することで、電荷（電気エネルギー）を充電（蓄積）する。この際に集電子体層５の微粒子５ａが磁性材料で構成されていれば、（超）巨大磁気抵抗効果により電流のリークを防止して誘電体層６により多くの電荷を蓄積することができる。そして、端子８、９を電源装置から図示しない負荷に付け替えることで充電した電荷を放電して負荷に電気エネルギーを供給し動作させることができる。したがって、この電気エネルギー蓄積装置１は、薄膜キャパシタとして動作する。

本実施例によれば、第一電極４と誘電体層６との間および第二電極７と誘電体層６との間に、集電子体の微粒子５ａにより構成された集電子体層６が形成されているので、第一電極４および第二電極７の表面積を拡大することができ、そのために蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。また、微粒子５ａが非カーボン基材で形成されているので、大電圧や大電流を取り出すことができ、大きな電気エネルギーを得ることができる。

また、集電子体層５の微粒子５ａが、磁性材料で形成されているので、第一電極４と第二電極７との間に電圧を印加した場合に、電界により微粒子５ａの磁性性能による集電率の向上が可能になり、より多くの電気エネルギーを蓄積することができる。

なお、上述した集電子体層５の微粒子５ａを磁性材料で形成する際は、予め着磁された状態で微粒子層を形成してもよいし、電気エネルギー形成装置１として製造して当該電気エネルギー形成装置１使用前に外部から磁界をかけて着磁してもよい。予め着磁すれば、後から着磁する必要が無く、そのための回路や装置等も必要ない。

本発明の実施例２を図３を参照して説明する。なお、前述した実施例１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施例２は、図３に示すように、支持基板２、バッファ層３の上層に、第一電極４、集電子体層５、誘電体層６、集電子体層５、第二電極７、集電子体層５、誘電体層６、集電子体層５、第一電極４、…、というように第一電極４または第二電極７のいずれかと集電子体層５および誘電体層６さらにその上に形成される集電子体層５が順次交互に奇数層を積層する。
積層にあたり各電極は交互にボンディングされ一対の対極を構成するために、１層おきに交互にボンディングを可能とするようにマスキングにより部分露出を行う。本実施例では積層数（形成される薄膜キャパシタの積層数、つまり誘電体層６の数）を例えば５〜１００程度を設定する。

第一電極４と第２電極７は、交互に第一の積層電極接合用縦層電極１０、第２の積層電極接合用縦層電極１１のボンディング線によりそれぞれ結合されることで、最下位の電極から数えて奇数電極を第一電極４、偶数電極を第２電極７として分離される。即ち、前記ボンディング線が複数の第一の電極同士を接続する配線および複数の第二の電極同士を接続する配線となる。そして、第一電極４、第２電極７それぞれから端子８、９を引き出し、図示しない入出力回路等に接続される。

このようにすることで、複数の第一電極４と複数の第２電極７と複数の誘電体層６とを備え、第一電極４（集電子体層５）と第二電極７（集電子体層５）に挟まれた誘電体層６が順次積層された電気エネルギー蓄積装置１’を構成することができる。

本実施例によれば、第一電極４（集電子体層５）と第二電極７（集電子体層５）に挟まれた誘電体層６が複数積層されて、それぞれが第一の積層電極接合用縦層電極１０、第２の積層電極接合用縦層電極１１のボンディング線によって並列に接続されるので、単層よりもさらに蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。

本発明の実施例３を図４を参照して説明する。
なお、前述した実施例２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施例３は、図４に示すように、支持基板２、バッファ層３の上層に、第一電極４、集電子体層５、誘電体層６、集電子体層５、第二電極７、集電子体層５、誘電体層６、集電子体層５、第一電極４、…、というように第一電極４または第二電極７のいずれかと集電子体層５および誘電体層６さらにその上に形成される集電子体層５が順次交互に奇数層を積層する。
積層にあたり各電極は交互に積層電極接合用縦層電極に接合され一対の対極を構成するために、１層おきに交互に接合を可能とするようにマスキングにより部分露出を行いかつ絶縁誘電体層１２を積層する。本実施例では積層数（形成される薄膜キャパシタの積層数、つまり誘電体層６の数）を例えば５〜１００程度を設定する。

第一電極４と第２電極７は、交互に１０、１１によりそれぞれ結合されることで、最下位の電極から数えて奇数電極を第一電極４、偶数電極を第２電極７として分離される。即ち、第一及び第二の積層電極接合用縦層電極１０、１１が複数の第一の電極同士を接続する電極および複数の第二の電極同士を接続する電極となる。そして、第一電極４、第２電極７それぞれから端子８、９を引き出し、図示しない入出力回路等に接続される。

このようにすることで、複数の第一電極４と複数の第２電極７と複数の誘電体層６とを備え、第一電極４（集電子体層５）と第二電極７（集電子体層５）に挟まれた誘電体層６が順次積層された電気エネルギー蓄積装置１’を構成することができる。

本実施例によれば、第一電極４（集電子体層５）と第二電極７（集電子体層５）に挟まれた誘電体層６が複数積層されて、それぞれが第一及び第二の積層電極接合用縦層電極１０、１１によって並列に接続されるので、単層よりもさらに蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。

なお、上述した３つの実施例では、各層は矩形平型の形状で積層していくが、マスキングの方式、薄膜成形方式により自由な形状を選択することが出来る。

また、上述した実施例は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施例の構成に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

Claims (5)

1. 導電性材料で形成された第一の電極と、導電性材料で形成され前記第一の電極と向かい合うように位置付けられている第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された誘電体層と、を備えている電気エネルギー蓄積装置において、
   前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間に、金属の微粒子などにより構成された集電子層が形成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。
2. 前記集電子層の金属の微粒子が、磁性材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー蓄積装置。
3. 前記金属微粒子層の微粒子が、着磁されていることを特徴とする請求項２に記載の電気エネルギー蓄積装置。
4. 導電性材料で形成された複数の第一の電極と、導電性材料で形成され複数の前記第一の電極とそれぞれ向かい合うように位置付けられている複数の第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された複数の誘電体層とを備えている電気エネルギー蓄積装置において、
   前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれた前記誘電体層が順次積層されており、
   前記複数の第一の電極同士を接続する配線と、
   前記複数の第二の電極同士を接続する配線と、を備え、
   前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間には、金属あるいは半導体あるいは表面改質セラミックにより構成された集電子体層が形成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。
5. 導電性材料で形成された複数の第一の電極と、導電性材料で形成され複数の前記第一の電極とそれぞれ向かい合うように位置付けられている複数の第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれるように形成された複数の誘電体層とを備えている電気エネルギー蓄積装置において、
   前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれた前記誘電体層が順次積層されており、
   前記複数の第一の電極同士を接続する積層電極接合用縦層電極と、
   前記複数の第二の電極同士を接続する積層電極接合用縦層電極と、を備え、
   前記第一の電極と前記誘電体層との間および前記第二の電極と前記誘電体層との間には、金属あるいは半導体あるいは表面改質セラミックにより構成された集電子体層が形成されていることを特徴とする電気エネルギー蓄積装置。

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