JP2007300126A - 高温コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】現在の電気産業での応用の要請を満足するメタライズドフィルムコンデンサの提供。
【解決手段】１以上のフッ素化表面（２４）を有するポリエーテルイミドフィルム（２２）製の誘電体層を含んでなるコンデンサ（１０）を開示する。
該コンデンサ（１０）はポリエーテルイミドフィルム（２２）のフッ素化表面（２４）上に位置するメタライジング層も含んでなる。該コンデンサはポリエーテルイミドフィルム（２２）のフッ素化表面（２４）の背面上に位置する電極（２０）をさらに含んでなる。コンデンサ（１０）の製造方法（２８）も開示する。
方法（２８）はポリエーテルイミドフィルム（２２）の表面のプラズマ処理を含んでなる。方法（２８）は表面（２４）のメタライジングも含んでなる。
方法（２８）は背面上に電極（２０）を配設し、最後にコンデンサ（１０）をパッケージングすることをさらに含んでなる。
【選択図】図１

Description

本発明は広義には電気コンデンサに関するものであり、具体的にはメタライズドフィルムコンデンサ内の誘電体層のようなフィルムコンデンサ内の誘電体層に関する。

この１０年間、コンデンサの信頼性は製造技術の進歩と新規材料の組合せによって格段に向上した。特にいわゆるフィルムコンデンサでは性能が格段に向上している。フィルムコンデンサは製造技術に基づいて、フィルム及びフォイルコンデンサ、メタライズドフィルムコンデンサと混合技術フィルムコンデンサの３種類に分類できる。

一般に、メタライズドフィルムコンデンサは２つの金属電極をプラスチックフィルム層で分離したものからなる。メタライズドプラスチックフィルムはプラスチックフィルム層上に金属フィルムを真空蒸着することによって製造される。これによってコンデンサ構造の小型化、自浄能、長寿命化及び高エネルギー密度化がもたらされる。慣用プラスチックフィルムにはポリプロピレン及びポリエーテルイミドフィルムがある。金属フィルム層は代表的には約２００〜５００Åオーダーの極薄であって、代表的にはアルミニウム又は亜鉛である。他の種類のコンデンサと比べると、メタライズドフィルムコンデンサはサイズ、簡単さ及び製造コストに利点を有するため、電力工学産業で広く用いられている。

メタライズドフィルムコンデンサでは多大な改善がなされてきたが、それが広く受け入れられるためには熱安定性及び短寿命のような問題が課題として残る。例えば誘電体層としてポリプロピレンフィルムを有するメタライズドフィルムコンデンサは約９０℃以上での作動には適さない。
Ｍ Ｈ Ｅｌ−Ｈｕｓｓｅｉｎｉ 等、「Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｕｌｓｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｆｉｌｍ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ」， Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｄ： Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ， ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＰＨＹＳＩＣＳ ＰＵＢＬＩＳＨＩＮＧ、２００３年、第３６巻、第２２９５−２３０３頁 Ｓｔｅｆａｎ Ｊ． Ｒｚａｄ， Ｓ．Ｍ． Ｇａｓｗｏｒｔｈ， Ｃ．Ｗ． Ｒｅｅｄ、及び Ｍ．Ｗ． ＤｅＶｒｅ、 「ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＦＯＲ ＨＩＧＨ ＥＮＥＲＧＹ ＤＥＮＳＩＴＹ ＣＡＰＡＣＩＴＯＲＳ」、ＩＥＥＥ、１９９２年、第３５８―３６２頁（５頁）

このため、上記問題を対処し、現在の電気産業での応用の要請を満足するメタライズドフィルムコンデンサの設計が望まれる。

本発明の一態様ではコンデンサの製造方法を提供し、該方法はポリエーテルイミドフィルムの表面をプラズマ処理することを含んでなる。この方法は処理表面をメタライジングし、その後背面上に電極を配設し、最後にコンデンサをパッケージングすることも含んでなる。

本発明の別の態様では、コンデンサの製造方法はポリエーテルイミドフィルム表面をフッ素化雰囲気中でプラズマ処理することを含んでなる。この方法は処理表面をメタライジングし、その後上記のように背面上に電極を配設し、最後にコンデンサをパッケージングすることも含んでなる。

本発明の別の態様では、１以上のフッ素化表面を有するポリエーテルイミドフィルム製の誘電体層を含んでなるコンデンサを提供する。このコンデンサはポリエーテルイミドフィルムのフッ素化表面上に位置するメタライジング層と、ポリエーテルイミドフィルムのフッ素化表面の背面上に位置する電極とを備える。

上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。図面全体を通して、同様の部材は同様の符号で示す。

以下で詳しく説明する通り、本発明の実施形態は電気的特性が改善され高温で作動可能なメタライズドフィルムコンデンサを含む。かかるフィルムやフィルムコンデンサの製造方法も説明する。本明細書で考慮する誘電特性は誘電定数と破壊電圧である。誘電体の「誘電定数」は電極間及び周囲のスペースが誘電体で充填されたコンデンサの電気容量の、真空中での同一構成の電極の電気容量に対する比である。本明細書で用いる「破壊電圧」は誘電体材料のＡＣ又はＤＣ電圧印加状態での耐絶縁破壊性の尺度をいう。破壊前に印加された電圧は誘電体材料の厚さによって分割され、破壊電圧を与える。破壊電圧は一般に、キロボルト／ミリメートル（ｋＶ／ｍｍ）のように長さ単位に対する電位差単位の形で測定する。本明細書で用いる「高温」という用語は摂氏約１００度（℃）以上の温度をいう。

代表的なメタライズドフィルムコンデンサは各側面上の二電極間に介在するポリマーフィルムを含む。二電極はアルミニウム、銅もしくは亜鉛又はその組合せのような金属層を含んでいて、該層はメタライズドフィルムコンデンサ内で誘電体として機能するポリマーフィルム上に真空蒸着される。本発明の一実施形態では、本明細書で開示するメタライズドフィルムコンデンサは電極を含んでいて、その上には誘電体層が位置する。フィルムコンデンサは誘電体層のプラズマ処理表面も含む。さらにフィルムコンデンサは代表的にはアルミニウム又は亜鉛のような金属層からなる電極を含んでいて、該金属層は誘電体層のプラズマ処理表面上に堆積（例えば真空蒸着）されている。

図面を参照して、図１は本発明の態様に係るメタライズドフィルムコンデンサ１０の概略図である。メタライズドフィルムコンデンサ１０は最終製品としてのコンデンサ１４の円筒表面１４の周囲に巻かれたプラスチックフォイル１２を含む。リード線１６はメタライズドフィルムコンデンサ１０を回路内に電気的に接続させる。メタライズドフィルムコンデンサを構築する具体的実施形態で用いる技術は「巻」コンデンサ技術という。「巻」コンデンサ技術において、メタライジングフォイルのオフセット長をローラシリンダ内に巻く。本発明に係るメタライズドフィルムコンデンサは低誘電損率のような電気的特性を与えることが期待され、電力工学応用に広く使用できるであろう。誘電特性が改善された従来のメタライズドフィルムコンデンサのさらなる詳細は「高誘電定数ナノコンポジット」と題する２００５年１１月２３日出願の係属中の米国特許出願第１１／２８６０９６号及び「絶縁破壊強度が向上した積層フィルムコンデンサ」と題する２００５年１１月１４日出願の米国特許出願第１１／２７３２０８号に記載されている。これら出願はいずれも本発明と同一出願人に譲渡されており、援用によって本明細書の内容の一部をなす。

図２では本発明に係るメタライズドフィルムコンデンサ１８の部分断面図を示す。メタライズドフィルムコンデンサ１８はカソード等の電極２０を含んでいて、電極上には誘電体層２２が位置する。一例では、誘電体層２２はポリエーテルイミドフィルムであって、電極２０の反対側にプラズマ処理表面２４を含む。さらにメタライジング層２６はプラズマ処理表面２４上に位置し、アノードとして機能する。

電極２０は代表的には金属フォイルを含む。一実施形態では、電極２０はアルミニウム、銅又は亜鉛フォイルの１種以上を含む。誘電体層２２として用いるポリエーテルイミドフィルムの例はゼネラルエレクトリックプラスチックス社からＵｌｔｅｍ（登録商標）という称号の下購入できるフィルム製品であってもよい。プラズマ処理表面の例は四フッ化炭素によってフッ素化された表面を含む。誘電体層２２の厚さは約０．５μｍ〜約５０μｍであってもよい。別の具体的実施形態では、誘電体層２２の厚さは約３μｍ〜１０μｍで変動してもよい。誘電体層２２は約−５０℃〜約２５０℃の温度で作動してもよい。誘電体層の破壊電圧は約３００〜７００ｋＶ／ｍｍであってもよい。メタライジング層２６の代表的厚さは約２００Å〜約５００Åで変動する。

図３は本発明の一態様に係るメタライズドフィルムコンデンサ１８（図２参照）の具体的な製造方法の工程を示すフローチャートである。方法２８はフッ素化雰囲気中、ポリエーテルイミドフィルムの表面上でプラズマ処理することを工程３０に含む。表面上でのプラズマ処理は一般に表面の分子構造の変更又は原子置換をもたらすプラズマ反応をいう。具体的実施形態では、本明細書で用いるプラズマ表面処理は四フッ化炭素（ＣＦ_４）のようなフッ素化種でのプラズマ表面処理を含んでいて、表面の水素原子のフッ素原子への置換を誘発する。これによってフッ素化構造を作成でき、現存のフィルムコンデンサよりも化学的に安定となる。処理工程はフィルム表面を少なくとも部分的に精錬又は平滑化することを含んでいてもよく、得られるコンデンサの作動の間、電荷がさらに均質に分配し、それによって部分的な破壊や不具合のおそれが低減することになる。別の例では、プラズマ処理工程はアルゴンプラズマ処理を含んでいてもよい。

非限定的な例では、プラズマ表面処理は化学蒸着プロセスを含んでいてもよい。別の具体的実施形態では、プラズマ表面処理は約２０秒未満の間、ポリエーテルイミドフィルム表面上でプラズマ処理することを含む。本発明の誘電体材料はいくつかの方法で被覆してもよい。被覆工程の好適な例としては、スピンコート、浸漬被覆、はけ塗り、溶剤成形及び化学蒸着が挙げられる。

プラズマ処理表面は次に工程３２でメタライジングする。工程３２でのメタライジングはポリエーテルイミドフィルムを蒸着、スパッタリング又は電気化学的堆積する工程を含んでもよい。一例では、蒸着、スパッタリング又は電気化学的堆積プロセスはポリエーテルイミドフィルムの表面にアルミニウム又は銅を堆積することを含んでもよい。別の例では、蒸着、スパッタリング又は電気化学的堆積の工程はポリエーテルイミドフィルム表面を亜鉛及びアルミニウム又は銅で堆積することを含んでいてもよい。方法２８はポリエーテルイミドフィルム上に電極を堆積することを含んでいてもよい。最後にメタライズドフィルムコンデンサを工程３６でパッケージングする。コンデンサをパッケージングする工程３６は代表的にはコンデンサを巻いて積層し、巻かれた層に電荷を供給するための導体又は端子を設けることを含む。

上記実施形態は現存のフィルムコンデンサ及びかかるコンデンサ方法の製造方法を超える明白な利点を与える。例えば上記技術によって製造するコンデンサは現存のフィルムコンデンサと比べて、誘電定数の増加、誘電破壊電圧の増加、表面欠陥の減少、熱安定性の増加、耐コロナ破壊性の増加及び長寿命化を示すことが分かっている。酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又はシリカのようなナノ粒子又はナノ充填材を含有するポリマーは破壊強度と誘電定数の増加を示すことが分かり、本発明のフィルム及びコンデンサに特に好適であり得る。粒子充填ポリマーは熱伝導性の増加も示し、本発明での使用に好適であり得る。上記の購入可能なＵｌｔｅｍ（登録商標）フィルムのようなポリエーテルイミドフィルムは、ガラス転移温度が上昇したために、コンデンサを高温で作動できる。

上記のように、表面欠陥は誘電体中での破壊電圧の散乱を引き起こし、これによってコンデンサ内の様々な部位で破壊電圧が変動し、コンデンサの全体的破壊電圧の低下を誘発する。上記の誘電フィルム表面のプラズマ処理は、表面構造の均質化を与え、それによって表面欠陥を低減する。これによって破壊電圧の幅が狭小化し、結果としてコンデンサが改善し長寿命化する。さらに耐コロナ性、つまりコンデンサ内の誘電体が完全破壊することなく特定のイオン化レベルに耐えるであろう時間の尺度はかかる表面処理によって増強する。これによってコンデンサは直接的に長寿命化する。

次の実施例は単なる例示的なものであって、本発明の特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

図４は市販のポリエーテルイミドフィルム、スピンコートされたポリエーテルイミドフィルム、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等のナノ充填材を充填したポリエーテルイミドフィルムの破壊強度のプラズマへの曝露時間の関数としてのグラフ比較であって、これらはすべて図２のように高温メタライズドフィルムコンデンサ内で用いてもよい。Ｙ軸４０は破壊強度を１メートル当たりボルト数で示す。Ｘ軸４２は時間を秒で示す。厚さ１５μｍの市販ポリエーテルイミドフィルムの試料をＣＦ_４の存在下でプラズマ処理し、プロット４４に示すようにＣＦ_４への曝露時間の関数として破壊電圧を測定した。同様に、プロット４６，４８はプラズマ処理したポリエーテルイミドフィルムのスピンコート試料と、酸化アルミニウム等のナノ充填材で充填したプラズマ処理ポリエーテルイミドフィルムの各々での測定結果を示す。

プロット４４，４６及び４８から分かるように、プラズマ処理したポリエーテルイミドフィルムのスピンコート試料は、プラズマ処理ナノ充填ポリエーテルイミドフィルムとプラズマ処理した市販ポリエーテルイミド試料よりも高い破壊電圧を与えた。調査した全３試料において、プラズマ処理は未処理試料に対して絶縁破壊強度を向上し、最適処理は２０秒間であった。しかし、プラズマ処理工程はスピンコートポリエーテルイミドフィルム上で最も効果的のようであった。

図５は図２のようなプラズマ処理ポリエーテルイミドフィルムで充填したメタライズドフィルムコンデンサを３０℃〜２００℃で変動する温度にて作動させた際の、適用周波数の関数としての誘電定数のグラフ比較５０である。Ｙ軸５２は誘電定数を示し、該定数は無次元量である。Ｘ軸５４はＨｚで測定した適用周波数を示す。プロット５６，５８，６０，６２，６４及び６６は誘電体としてのプラズマ処理ポリエーテルイミドフィルムで充填したコンデンサに、３０℃、５０℃、１００℃、１５０℃、１８０℃及び２１０℃の各々で周波数を適用した際の誘電定数の変化を示す。誘電定数は上記温度範囲にて３．２〜３．３以上の周波数で変化する。これは誘電体としてのプラズマ処理ポリエーテルイミドフィルムで充填したコンデンサが様々な温度で幅広い範囲の周波数を適用しても安定であることを示唆する。

図６は図２のような高温メタライズドフィルムコンデンサ内で用いてもよい改善ポリエーテルイミドフィルムと非プラズマ処理二軸延伸の市販ポリプロピレンフィルムの熱安定性のグラフ比較６８である。Ｙ軸７０は１マイクロメートル当たりのボルト数（Ｖ／μｍ）で測定した破壊強度を示す。Ｘ軸７２は℃で測定した温度を示す。プロット７４はプラズマ処理ポリエーテルイミドフィルムの約３０℃〜約２５０℃で変動する温度での測定結果を示す。プロット７６は非プラズマ処理の市販ポリプロピレンフィルムの約３０℃での単計測結果である。市販ポリプロピレンフィルムが約９０℃以上で作動しないため、これ以上の測定は行わなかった。プロット７４から分かる通り、プラズマ処理ポリエーテルイミドフィルムの破壊強度は上記温度の全範囲で安定であって、プラズマ処理ポリエーテルイミドフィルムの所望の熱安定性を説明するものである。

本発明の一部の特徴のみを説明してきたが、当業者は多くの修正と変更をなすであろう。したがって、特許請求の範囲は本発明の技術的思想に属するすべての修正と変更を包含することは明らかであろう。

本発明の態様に係る具体的なメタライズドフィルムコンデンサの概略図。 メタライズドフィルムコンデンサの部分断面図であって、本発明の一態様に係る誘電体層のプラズマ処理表面を示す。 図２のように誘電体層としてプラズマ処理表面を有するメタライズドフィルムコンデンサの具体的な製造方法の工程を示すフローチャート。 市販のポリエーテルイミドフィルム、スピンコートされたポリエーテルイミドフィルム、ナノ充填材酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を充填したポリエーテルイミドフィルムの破壊電圧のプラズマへの曝露時間の関数としてのグラフ比較であって、これらはすべて図２のように高温メタライズドフィルムコンデンサ内で用いてもよい。 図２のような高温メタライズドフィルムコンデンサ内で用いてもよい改善ポリエーテルイミドフィルムの誘電定数のグラフ表示。 図２のような高温メタライズドフィルムコンデンサ内で用いてもよい改善ポリエーテルイミドフィルムと非プラズマ処理二軸延伸ポリプロピレンフィルムの破壊電圧の温度の関数としてのグラフ比較。

Claims (10)

1. コンデンサ（１０）の製造方法であって、
   ポリエーテルイミドフィルム（２２）の表面（２４）をプラズマ処理し、
   表面（２４）をメタライジングし、
   ポリエーテルイミドフィルム上に電極（２０）を配設し、
   コンデンサ（１０）をパッケージングする
   ことを含んでなる方法。
2. 前記プラズマ処理が化学蒸着プロセスを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記プラズマ処理がフッ素化雰囲気中でのプラズマ処理又はアルゴンプラズマ処理を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記メタライジングがポリエーテルイミドフィルム（２２）の蒸着、スパッタリング又は電気化学的堆積プロセスを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記蒸着、スパッタリング又は電気化学的堆積プロセスがポリエーテルイミドフィルム（２２）の表面（２２）にアルミニウム又は銅を堆積することを含む、請求項４記載の方法。
6. コンデンサ（１０）の製造方法であって、
   ポリエーテルイミドフィルム（２２）の表面（２４）をフッ素化雰囲気中でプラズマ処理し、
   表面（２４）をメタライジングし、
   ポリエーテルイミドフィルム（２２）上に電極（２０）を配設し、
   コンデンサ（１０）をパッケージングする
   ことを含んでなる方法。
7. 前記フッ素化雰囲気が四フッ化炭素を含む、請求項６記載の方法。
8. コンデンサ（１０）であって、
   ポリエーテルイミドフィルム（２２）製の誘電体層であって、ポリエーテルイミドフィルムが１以上のフッ素化表面（３２）を含む誘電体層と、
   ポリエーテルイミドフィルム（２２）のフッ素化表面上に位置するメタライジング層と、ポリエーテルイミドフィルム（２２）の一面上に位置する電極（２０）と
   を備えるコンデンサ（１０）。
9. 誘電体層（２２）が約−５０℃〜約２５０℃の作動温度を有する、請求項８記載のコンデンサ。
10. 誘電体層（２２）が約３００〜７００ｋＶ／ｍｍの破壊電圧を有する、請求項８記載のコンデンサ。高温コンデンサ及びその製造方法

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