プレゼンテーション

積層セラミックコンデンサ（MLCC）は、スマートフォン、パソコン、デジタルカメラなど、現代の電子機器に幅広く使用されている。今日、石油・ガス産業、航空宇宙産業、自動車産業など多くの産業分野において、200℃を超える温度で動作可能なMLCCへの需要が高まっている。例えば、車載用SiCベース・パワー・デバイスは最高300℃まで対応できるように開発されており、MLCCを含む周辺部品も同じ過酷な環境に耐えることが要求される。このような高温用途では、MLCC用の誘電体材料は、高くて温度安定性の高い誘電率、低い誘電損失、高い回収可能エネルギー密度を持つ必要があります。BaTiO3（BT）ベースのフェライトは、従来のMLCCで最も広く使用されている誘電体材料ですが、BTのキュリー温度が130℃と低く、誘電率が高温で急激に低下するため、高温用途には適していません。

高温用途向けの代替誘電体材料を見出すため、研究者により今日まで多くの材料系が研究されてきた。その中でも緩和型強誘電体は、その高い誘電率と広い温度依存性から大きな関心を集めている。歴史的には、1980年代にPb(Mg1/3Nb2/3)O3などのPb系リラクサーがMLCC用として最初に広く研究されたが、Pbの毒性により電子デバイスへの実用化は制限されていた。この10年間で、Biベースの鉛フリー弛緩剤が高温MLCC誘電体の主役となった。Bi系弛緩剤を含む多くの組成の中でも、チタン酸ビスマス・ナトリウム（Bi1/2Na1/2）TiO3（BNT）系固溶体は、組成の変更によって電気的特性を調節できることから、大きな注目を集めている。例えば、BNT-NaNbO3固溶体は、-60〜400℃の広い温度範囲で高温安定な誘電率を示すことが報告されている。一方、BNT-(Sr0.7Bi0.2)TiO3系は、その反強誘電的な分極応答により、巨大な回収可能エネルギー貯蔵密度を達成することができる。BNT 系の固溶体緩和はこれまで広く研究されてきたが、その誘電率は一般に 2000 以下であり、Pb 系の緩和よりも低い。したがって、より優れた誘電特性を実現するための新しい材料系の研究が必要である。

アプリケーション

本論文では、セラミック試料の誘電特性および強誘電特性を測定するために、銀導電ペーストを試料の研磨面に塗布し、空気中で600℃、10分間焼成した。誘電率および誘電正接(tanδ)の温度依存性は、LCRメーター(ZM2371, NF社製)を用いて室温から400℃までの温度範囲で測定した。分極(P)対電界(E)曲線を測定するために、セラミック試料を約3×3 mm2の小さな正方形の板に切り出し、Auスパッタリングによって電着した。その後、高電圧増幅器（FCE10-B、TOYO社製）を備えた強誘電体試験装置（HEOP-5B6、マツダプレシジョン社製）を用いて、150 °Cまでの温度で周波数0.5 Hzの三角電圧波を印加してP-E曲線を測定した。

図7は、室温で測定したBKST-xセラミックスのP-E曲線を示しています。BKST-0.0は、25μC cm-2の残留分極(Pr)を持つ強誘電分極のスイッチングによる有意なヒステリシスを示しています。対角線に対して非対称な形状は、試料がまだ強誘電体であることを示唆している。STの含有量が増加すると、ヒステリシスは薄くなり、Prは減少する。 BKST-0.4とBKST-0.5はスリムな非線形P-E曲線を示し、これは緩和挙動に起因する。この観察は、小磁場誘電特性の温度依存性から示唆されるR状態の安定化と一致する。大磁場におけるこのような細いP-E曲線は、ヒステリシスが動作中のエネルギー損失につながる可能性があるため、キャパシタ用途にとって重要です。

ソース

著者：南志賀、萩原学、藤原忍

所属機関：慶應義塾大学理工学部応用化学科 〒223-8522 横浜市港北区日吉3-14-1

発行：2020年4月15日、改訂：2020年8月17日、9月21日

keywords: 粉末, 化学薬剤, 誘電特性, コンデンサ, 無鉛リラクサント

雑誌：セラミックス・インターナショナル

論文元サイト：高温キャパシタ用(Bi1/2K1/2)TiO3-SrTiO3固溶体セラミックス -ScienceDirect