成果報告書詳細
管理番号20090000000036
タイトル平成19年度-平成20年度成果報告書 「ナノテク・先端部材実用化研究開発 ナノキャピラリー構造を有する高容量電解コンデンサの研究開発」
公開日2009/8/26
報告書年度2007 - 2008
委託先名富士通株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所 富士通メディアデバイス株式会社 ミナルコ株式会社
プロジェクト番号P05023
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約従来からアルミニウム電解コンデンサ用陽極箔にはエッチング箔が用いられてきた。アルミニウム圧延箔を化学エッチングし,表面積を大きくし, その表面に化成処理行なうことで酸化アルミニウム皮膜の誘電体層が形成されることで得られる。静電容量は, この酸化アルミニウム膜の面積と厚さで決定される。このために, エッチング箔では, アルミニウム箔のエッチング技術と化成処理技術が容量向上の鍵であった。箔強度の観点からエッチング深さには限界があり, このためにエッチングによる表面積の増加は制限されていた。現在, エッチングによる容量向上化は, 限界に近づいており, 現行箔を越える容量を有する新しい箔の開発が模索されている。本研究開発では, 新しい陽極箔として, エッチング法と異なる基材上に膜を形成するビルドアップ法(エアロゾルデポジション)を用いた高容量箔の開発に取り組んだ。アルミニウム箔表面にアルミニウムベースのエアロゾルデポジション膜を形成して得られる陽極箔の開発にあたって, 使用するアルミニウムの粒径および表面絶縁層の厚さを制御するとともに, 添加するチタン酸バリウム粒子の粒径, 添加量を調整することで, 成膜直後の状態にて容量密度1mF/cm2を達成することができた。また, 膜にレーザによるポストアニール処理を行なうことで, 容量密度を1.2 mF/cm2へとさらに向上できることを見出した。さらに, 化成処理条件を最適化することで, 耐圧を2V以上に引き上げることができ, 最大でCV値1600 mF/cm2・Vを達成した。エアロゾルデポジションで形成したナノキャピラリー構造を有するアルミニウム膜の表面の陰極形成技術に関し, 陰極を形成する適当な材料(高分子・カーボン・銀)を見出し, さらに, 陰極形成条件を改良して, 陰極層の膜厚を薄くすることで, 容量引出率(樹脂充填率)80%以上を実現した。このナノキャピラリー構造を形成するためには, ASD法で作成する電解コンデンサ構造では、その成膜性とともに、アルミニウムが衝突したときの変形挙動と粒子の衝突速度が重要になる。微粒子圧縮試験装置を用いて、原料アルミニウム微粒子の変形挙動を調べた結果、各粒径の降伏点を計測することができた。また、酸化膜の影響は全体の降伏応力に与える影響は小さいことを明らかにした。エアロゾル流体挙動をシミュレーションで求めた結果、アルミニウム微粒子の衝突速度と粒径の関係はノズルと基板の位置関係に大きく関係することが明らかになった。コンデンサの低インピーダンス構造の開発にあたって, 封止法、陽極・陰極の引出方法、電極形状、寸法を見直しすることにより、陽極と端子下端までの距離を短くかつ電極の接触面積を大きくすることで4層コンデンサ構造において, 容量出現率:70%以上, 等価直列抵抗:1.5mΩ以下を達成した。フラットタイプコンデンサの試作においては, 陽極取り出し電極の検討を行い, 面積比約1/4の小型タイプのフラットタイプコンデンサの開発に成功した。エアロゾルデポジション用原料アルミ粉末には基板への衝突時に充分な変形が起こり、かつより微細な粉末粒子が求められており,アトマイズ法による粉末が原料として有効である。特性値として最もキーになるのは粒度分布である。気流分級法において粉体の分散度, 旋回気流の強度, 分級点(粗粉・微粉の分岐点の設定)を最適化し, 3μm、2μm、1μmの粉末において、シャープな分布の粉末を得る事に成功した。
英文要約Title: Research and Development of High Capacitance Electrolytic Capacitor with Nano-Capilary Structure(FY2007-FY2009)FY2007 Final Report Up to now, etching foils are usually used in the cathode foil of aluminum electrolytic capacitor. The surface area of this etching foil is increased by etching aluminum foil by cold roll chemically. The dielectric layer (aluminum oxide) is formed by anodizing the etched foil sample. The capacitance density is determined by the area and thickness of aluminum oxide. Therefore, the etching and anodizing technology are the key of the capacitance improvement. There is a limitation of etching depth in terms of the view point of the foil strength. At present, a new foil for the electrolytic capacitor exceeding the current capacitance density has been developed. In this project, we try to develop that foil with Aero-Sol Deposition (ASD). The basic structure of the cathode foil in this study is aluminum aerosol deposition film deposited on aluminum foil with nano-capilary structure, without etching. The capacitor density of as deposited film more than 1mF/cm2 can be achieved by optimizing the particle size of aluminum raw powder, the dielectric layer thickness of the raw powder, the particle size, and content of the added barium titanate. We clarified that the capacitance density is increased to 1.2mF/cm2 by adding the post-annealing process by YVO4 laser. In order to increase the withstand voltage, the forming process to the surface of aluminum is effective. By examining the forming condition, the withstand voltage can be increased to 2V. The CV value of the developed cathode foil with nano-capilary structre deposited by aerosol deposition is 1600 mF/cm2・V at the most. In order to obtain high capacitance and stable anode, it is important to form homogeneous polymer film in the capillary of the aluminum film deposited by aerosol deposition on the aluminum foil. In the study of the anode formation, we found that conductive polymer, carbon and silver are the effective for the anode material on the developed capacitor foil obtained by the aerosol deposition. Also, anode thickness and the deposition process of anode including the solvent material are examined. As a result, the ratio of polymer filling to foil surface more than 80% is achieved. Also, the optimal fracture conditions and deformation behavior of raw aluminum powder in aerosol deposition are clarified. These findings are utilized for fabrication of electrolytic capacitors by the aerosol deposition method. The deformation behaviors were studied using the customized particle compression instrument. The results revealed the yield stresses of the starting aluminum particles with several particle size. Besides, we found that the surface oxide layers on the starting particles were little influenced their yield stress. In the results of the simulation of aerosol fluid behaviors, the collision velocity of the aluminum particles and the dependence on their diameter were significantly affected by the positioning relation between the nozzle and the substrate. In the development of the low impedance structure, we obtained the equivalent series resistance less than 1.5mΩ, with the element four layers of condenser structure having the capacity incidence: More than 70%. In the trial manufacture of the flat type condenser, we succeeded in the development of the flat type condensers with 4 time smaller area than the conventional condenser. In the development of raw material powder of aerosol deposition, we tried to find most suitable conditions by optimizing the process condition of the gas-flow classification controlled under the inert gas. Finally we succeeded to obtain powder of 3μm, 2μm, and 1μm class with sharp dispersion and complying with targeted values.
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