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JP6236706B2 - Manufacturing method of ceramic capacitor containing fine metal particles - Google Patents
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Description

本発明は、微小金属粒子が誘電体層に分散したセラミックキャパシタの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic capacitor in which fine metal particles are dispersed in a dielectric layer.

電子機器の小型化・高機能化に伴い、積層セラミックコンデンサなど、小型で高容量なコンデンサの開発が進められている。セラミックキャパシタは、エネルギーの蓄積過程で、化学反応が介在しないため、出力密度に優れている。一方、蓄積できるエネルギー密度は小さく、大容量のセラミックキャパシタが開発されれば、電子部品のみならず、エネルギー蓄積デバイスなどへの応用も可能である。   With the downsizing and high functionality of electronic devices, development of compact and high capacity capacitors such as multilayer ceramic capacitors is underway. Ceramic capacitors are excellent in output density because no chemical reaction is involved in the energy accumulation process. On the other hand, if the energy density that can be stored is small and a large-capacity ceramic capacitor is developed, it can be applied not only to electronic parts but also to energy storage devices.

キャパシタに蓄積されるエネルギーは静電容量と電圧によって決まるため、より大容量のキャパシタを作製することで、キャパシタに蓄積できるエネルギーは増加する。一般的にキャパシタの静電容量Cは以下の数式1によって表わされる。   Since the energy stored in the capacitor is determined by the capacitance and voltage, the energy that can be stored in the capacitor increases when a capacitor having a larger capacity is manufactured. In general, the capacitance C of a capacitor is expressed by the following Equation 1.

ここでεは誘電体の比誘電率、εは真空中の誘電率、Aは電極面積、dは電極間距離である。従って、静電容量を大幅に向上させるためには、材料の比誘電率を増加させる、あるいは電極面積を増加、電極間距離を減少させる必要がある。 Here, ε r is the dielectric constant of the dielectric, ε 0 is the dielectric constant in vacuum, A is the electrode area, and d is the distance between the electrodes. Therefore, in order to greatly improve the capacitance, it is necessary to increase the relative dielectric constant of the material, increase the electrode area, and decrease the distance between the electrodes.

例えば、積層セラミックコンデンサにおいては、内部に交差指電極と呼ばれる内部電極を誘電体層に挿入することにより、正味の電極面積を増加させ、正味の電極間距離を減少させることで数百nFを超える大きな静電容量を実現している。   For example, in a multilayer ceramic capacitor, an internal electrode called an interdigitated electrode is inserted into a dielectric layer to increase the net electrode area and decrease the net interelectrode distance to exceed several hundred nF. A large capacitance is realized.

大容量化を実現するための材料としては、導体/絶縁体の複合材料がその優れた誘電特性から有力な候補に挙げられる。具体的には、金属/誘電体、金属/ポリマー、半導体/誘電体、カーボン/誘電体、カーボン/ポリマーなどの組み合わせの複合材料群がこれまでに検討され、その誘電特性が報告されている。   As a material for realizing a large capacity, a conductor / insulator composite material is a promising candidate because of its excellent dielectric properties. Specifically, a composite material group of a combination of metal / dielectric, metal / polymer, semiconductor / dielectric, carbon / dielectric, carbon / polymer, etc. has been studied and its dielectric properties have been reported.

導体/絶縁体の複合キャパシタに関しては、様々な微構造が考案されており、例えば図1に示す積層セラミックコンデンサに見られるようなシート状の金属層と絶縁体層が交互に重なった構造、図2に示す半導体磁器の表面層を絶縁化させた表層型構造
、図3に示す粒界コンデンサに見られるような半導体磁器粒子の結晶粒界に絶縁層を形成させた粒界層型構造
、また図4に示す多くの複合材料で見られる導体粒子が絶縁体層に分散した構造などが挙げられる。
Various microstructures have been devised for conductor / insulator composite capacitors. For example, as shown in the multilayer ceramic capacitor shown in FIG. 1, a structure in which sheet-like metal layers and insulator layers are alternately stacked, The surface layer type structure in which the surface layer of the semiconductor ceramic shown in FIG. 2 is insulated, the grain boundary layer type structure in which the insulating layer is formed at the crystal grain boundary of the semiconductor ceramic particles as seen in the grain boundary capacitor shown in FIG. Examples include a structure in which conductor particles found in many composite materials shown in FIG. 4 are dispersed in an insulator layer.

金属/誘電体の複合キャパシタにおいては、図5に示す金属箔あるいは微小金属粒子を含むペーストから作製したシートと誘電体層を交互に積層した構造、図6に示す金属箔あるいは金属板表面に誘電体層を形成させた構造、図7に示す微小金属粒子が誘電体層に分散した構造などが報告されている。   In a metal / dielectric composite capacitor, a structure in which sheets made of a paste containing metal foil or fine metal particles shown in FIG. 5 and dielectric layers are alternately laminated, a dielectric on the surface of the metal foil or metal plate shown in FIG. A structure in which a body layer is formed and a structure in which fine metal particles shown in FIG. 7 are dispersed in a dielectric layer have been reported.

これまでに列挙したいずれの複合キャパシタも、導体同士あるいは導体と電極が非常に薄い絶縁体層を挟んで存在することで、構造体内部に微小なキャパシタが形成されることになる。このように構造体中の導体が内部電極として働き、正味の電極面積は大きくなり、正味の内部電極間距離は小さくなるため、複合キャパシタの示す静電容量は増大する。   In any of the composite capacitors enumerated so far, conductors or conductors and electrodes are present with a very thin insulator layer interposed therebetween, so that a minute capacitor is formed inside the structure. As described above, the conductor in the structure acts as an internal electrode, the net electrode area is increased, and the net distance between the internal electrodes is decreased, so that the capacitance indicated by the composite capacitor is increased.

以上を踏まえると、複合キャパシタを用いて大容量化を実現するためには、図7に示すような微小金属粒子を高濃度で誘電体層に分散させた構造が適している。   Based on the above, in order to realize a large capacity using a composite capacitor, a structure in which fine metal particles as shown in FIG. 7 are dispersed in a dielectric layer at a high concentration is suitable.

図4あるいは図7に示すような、導体粒子が誘電体層中に分散した構造を持つ複合キャパシタの特徴を以下に述べる。これらの複合材料群は導体の濃度が低いうちは絶縁体であるが、導体の濃度を増加させていくとある濃度を超えたところで、金属−絶縁体転移が起こる。この濃度はパーコレーション閾値と呼ばれる。材料中の金属濃度を増加させていくと、静電容量は増加していく傾向があり、特にこのパーコレーション閾値付近の濃度においては、静電容量の著しい増加が観測される。   The characteristics of a composite capacitor having a structure in which conductor particles are dispersed in a dielectric layer as shown in FIG. 4 or 7 will be described below. These composite materials are insulators when the concentration of the conductor is low, but when the concentration of the conductor is increased, the metal-insulator transition occurs when the concentration exceeds the certain concentration. This density is called the percolation threshold. As the metal concentration in the material increases, the capacitance tends to increase. In particular, a significant increase in capacitance is observed at a concentration near the percolation threshold.

この現象は、パーコレーション理論によって以下のように理解されている。パーコレーション閾値付近では、複合キャパシタ内に存在する導体のクラスター同士が接近しており、これに電界を印加した場合、非常に薄い絶縁体層を挟んで電荷が蓄積されることになる。この際、複合キャパシタ内のいたるところで微小なキャパシタが形成され、これらのキャパシタが3次元的に繋がった構造となるため、静電容量が増大する。   This phenomenon is understood by the percolation theory as follows. In the vicinity of the percolation threshold, conductor clusters existing in the composite capacitor are close to each other, and when an electric field is applied thereto, charges are accumulated across a very thin insulator layer. At this time, minute capacitors are formed everywhere in the composite capacitor, and these capacitors are three-dimensionally connected, so that the capacitance increases.

微小金属粒子が高濃度で誘電体層に分散した構造を持つセラミックキャパシタの一例が非特許文献1に記載されている。非特許文献1では、ニッケル粒子とチタン酸バリウムを混合し、それをアルゴン雰囲気下において1300℃で焼結することによってニッケル/チタン酸バリウム複合材料を得ている。   Non-Patent Document 1 describes an example of a ceramic capacitor having a structure in which fine metal particles are dispersed in a dielectric layer at a high concentration. In Non-Patent Document 1, a nickel / barium titanate composite material is obtained by mixing nickel particles and barium titanate and sintering them at 1300 ° C. in an argon atmosphere.

非特許文献2では、水熱条件下においてチタン箔をアノードとして電解をおこなうことで、チタン箔表面にチタン酸バリウムを生成させ、チタン/チタン酸バリウムの複合体を100℃の低温条件で作製している。   In Non-Patent Document 2, electrolysis is performed using a titanium foil as an anode under hydrothermal conditions to generate barium titanate on the surface of the titanium foil, and a titanium / barium titanate composite is produced at a low temperature of 100 ° C. ing.

C. Pecharroman, et al., Adv. Mater., 13 (2001) 1541-1544.C. Pecharroman, et al., Adv. Mater., 13 (2001) 1541-1544. R. Bacsa, et al., J. Mater. Res., 7 (1992) 423-428.R. Bacsa, et al., J. Mater. Res., 7 (1992) 423-428.

しかしながら、非特許文献1に記載されているニッケル/チタン酸バリウムの複合セラミックキャパシタは高温での熱処理を必要とすること、微小金属粒子の酸化を抑制するため熱処理時にアルゴンなどの還元ガスをフローさせる必要があること、また高温での熱処理によって金属が酸化されないために、使用できる金属の種類も著しく制限されるという課題がある。   However, the nickel / barium titanate composite ceramic capacitor described in Non-Patent Document 1 requires heat treatment at a high temperature, and flows a reducing gas such as argon during the heat treatment in order to suppress oxidation of fine metal particles. Since the metal is not oxidized by heat treatment at a high temperature, there is a problem that the types of metal that can be used are significantly limited.

非特許文献2に関しては、温和な溶液プロセスであるものの、水熱条件下で電圧を印可するために特殊な装置系が必要であり、金属層の構造が箔や板などの2次元構造に限定されること、またこうした構造では、内部電極の電極面積が小さくなるために、静電容量が制限されてしまうという課題がある。   Regarding Non-Patent Document 2, although it is a mild solution process, a special apparatus system is required to apply voltage under hydrothermal conditions, and the structure of the metal layer is limited to a two-dimensional structure such as a foil or a plate. In addition, in such a structure, there is a problem in that the capacitance is limited because the electrode area of the internal electrode is reduced.

本発明の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法は、金属を含む微小粒子と第1の誘電体の前駆体とを混合する、又は金属を含む微小粒子と第1の誘電体の前駆体と第2の誘電体とを混合するステップと、前記混合した混合物をペレット状に成型するステップと、前記成型したペレットをソルボサーマル処理し、前記第1の誘電体の前駆体を第1の誘電体に変化させるステップと、を備えたことを特徴とする。   The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to the present invention mixes fine particles containing metal and a first dielectric precursor, or contains fine particles containing metal and a first dielectric precursor and the first dielectric precursor. 2, a step of molding the mixed mixture into a pellet, a solvothermal treatment of the molded pellet, and the precursor of the first dielectric is used as the first dielectric. And a step of changing.

本発明によれば、微小金属粒子が誘電体層に高濃度で分散した構造を持つセラミックキャパシタを低温で作製することができ、高温での熱処理を必要としないので使用できる金属に制限が少なく、また還元ガスを用いる必要がないため製造装置を簡単な構造にすることができコストの低減が図れるという効果がある。   According to the present invention, a ceramic capacitor having a structure in which fine metal particles are dispersed at a high concentration in a dielectric layer can be produced at a low temperature, and since there is no need for a heat treatment at a high temperature, there are few restrictions on the metal that can be used, In addition, since it is not necessary to use a reducing gas, the manufacturing apparatus can be simplified in structure and the cost can be reduced.

は、従来技術による積層セラミックコンデンサの断面図である。These are sectional drawings of the multilayer ceramic capacitor by a prior art. は、従来技術による表面を絶縁化させた半導体磁器によるセラミックコンデンサの断面図である。These are sectional drawings of the ceramic capacitor by the semiconductor ceramic which insulated the surface by the prior art. は、従来技術による粒界コンデンサの断面図である。These are sectional drawings of the grain boundary capacitor by a prior art. は、従来技術による導体粒子が絶縁体層に分散したコンデンサの断面図である。These are sectional drawings of the capacitor | condenser by which the conductor particle by the prior art was disperse | distributed to the insulator layer. は、従来技術による内部電極を金属箔あるいは微小金属粒子を含むペーストから作成したシートを用いた積層セラミックコンデンサの断面図である。These are sectional drawings of the multilayer ceramic capacitor using the sheet | seat which produced the internal electrode by the prior art from the paste containing metal foil or a fine metal particle. は、従来技術による金属箔あるいは金属板表面に誘電体層を形成したセラミックコンデンサの断面図である。These are sectional drawings of the ceramic capacitor which formed the dielectric material layer in the metal foil or metal plate surface by a prior art. は、従来技術による微小金属粒子が誘電体層に分散したコンデンサの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a capacitor in which fine metal particles according to the prior art are dispersed in a dielectric layer. は、本発明による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の実施の形態を説明するための図であり、微小金属粒子を用いた場合の模式図である。These are the figures for demonstrating embodiment of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by this invention, and are schematic diagrams at the time of using a fine metal particle. は、本発明による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の実施の形態を説明するための図であり、コアシェル粒子を用いた場合の模式図である。These are the figures for demonstrating embodiment of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by this invention, and are schematic diagrams at the time of using a core-shell particle. は、本発明の実施例1による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の模式図である。These are the schematic diagrams of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 1 of this invention. は、本発明の実施例1による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の製造フローを示す図である。These are figures which show the manufacture flow of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 1 of this invention. は、本発明の実施例1による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造した金属と誘電体の複合構造体のSEM像である。These are the SEM images of the composite structure of the metal and dielectric material manufactured by the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 1 of this invention. は、本発明の実施例1による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造した金属と誘電体の複合構造体のXRD測定結果を示す図である。These are figures which show the XRD measurement result of the composite structure of the metal and dielectric material manufactured with the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 1 of this invention. は、本発明の実施例1による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の反応スキームを示す図である。These are figures which show the reaction scheme of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 1 of this invention. は、本発明の実施例1による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造したキャパシタの誘電特性を示す図であり、(a)は周波数依存性を、(b)はチタン混合比依存性を示す図である。These are figures which show the dielectric property of the capacitor manufactured by the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 1 of this invention, (a) shows frequency dependence, (b) shows titanium mixing ratio dependence. FIG. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法に用いるコアシェル粒子を示す図である。These are figures which show the core-shell particle | grains used for the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法に用いるコアシェル粒子のXRD測定結果を示す図である。These are figures which show the XRD measurement result of the core-shell particle | grains used for the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法に用いるコアシェル粒子の表面SEM像である。These are the surface SEM images of the core-shell particles used for the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の模式図である。These are schematic diagrams of a method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to Example 2 of the present invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の製造フローを示す図である。These are figures which show the manufacture flow of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造した金属と誘電体の複合構造体のSEM像である。These are the SEM images of the composite structure of the metal and dielectric material manufactured by the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造した金属と誘電体の複合構造体のXRD測定結果を示す図である。These are figures which show the XRD measurement result of the composite structure of the metal and dielectric material manufactured with the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造した金属と誘電体の複合構造体の、混合粉のペレットに含まれる酸化チタンと反応溶液に含まれる水酸化バリウムのモル比と相対質量の関係を示す図である。Is a composite structure of metal and dielectric produced by the method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to Example 2 of the present invention, titanium oxide contained in the mixed powder pellets and barium hydroxide contained in the reaction solution. It is a figure which shows the relationship between molar ratio and relative mass. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の反応スキームを示す図である。These are figures which show the reaction scheme of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造したキャパシタの誘電特性の周波数依存性を示す図である。These are figures which show the frequency dependence of the dielectric property of the capacitor manufactured with the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造したキャパシタのインピーダンスの周波数依存性を示す図である。These are figures which show the frequency dependence of the impedance of the capacitor manufactured with the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 2 of this invention. は、本発明の実施例2による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造したキャパシタの誘電特性のコアシェル粒子混合比との関係を示す図である。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the dielectric properties of a capacitor produced by the method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to Example 2 of the present invention and the core-shell particle mixing ratio. は、本発明の実施例3による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の模式図である。These are schematic diagrams of a method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to Example 3 of the present invention. は、本発明の実施例3による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の製造フローを示す図である。These are figures which show the manufacture flow of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 3 of this invention. は、本発明の実施例3による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造した金属と誘電体の複合構造体のSEM像である。These are the SEM images of the composite structure of the metal and dielectric material manufactured by the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 3 of this invention. は、本発明の実施例3による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造した金属と誘電体の複合構造体のXRD測定結果を示す図である。These are figures which show the XRD measurement result of the composite structure of the metal and dielectric material which were manufactured with the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 3 of this invention. は、本発明の実施例3による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の反応スキームを示す図である。These are figures which show the reaction scheme of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 3 of this invention. は、本発明の実施例3による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造したキャパシタの誘電特性の周波数依存性を示す図である。These are figures which show the frequency dependence of the dielectric property of the capacitor manufactured by the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 3 of this invention. は、本発明の実施例3による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造したキャパシタのインピーダンスの周波数依存性を示す図である。These are figures which show the frequency dependence of the impedance of the capacitor manufactured by the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 3 of this invention. は、本発明の実施例3による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造したキャパシタの誘電特性のコアシェル粒子混合比との関係を示す図である。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the dielectric properties of a capacitor produced by the method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to Example 3 of the present invention and the core-shell particle mixing ratio. は、本発明の実施例4による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の模式図である。These are schematic views of a method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to Example 4 of the present invention. は、本発明の実施例4による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の製造フローを示す図である。These are figures which show the manufacture flow of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 4 of this invention. は、本発明の実施例4による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造した金属と誘電体の複合構造体のXRD測定結果を示す図である。These are figures which show the XRD measurement result of the composite structure of the metal and dielectric material manufactured by the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 4 of this invention. は、本発明の実施例4による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の反応スキームを示す図である。These are figures which show the reaction scheme of the manufacturing method of the fine metal particle containing ceramic capacitor by Example 4 of this invention. は、本発明の実施例4による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法により製造したキャパシタの誘電特性のニッケル粒子混合比との関係を示す図である。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the dielectric characteristics of a capacitor manufactured by the method for manufacturing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to Example 4 of the present invention and the nickel particle mixing ratio.

以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法は、金属粒子あるいは金属を含む複合粒子と、誘電体の前駆体もしくは誘電体と誘電体の前駆体の混合物を混合することと、混合物をペレット状に成形し、水熱処理あるいはソルボサーマル処理に
よってペレット内部で誘電体の生成反応をおこなうことを包含している。
The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to the present invention comprises mixing metal particles or composite particles containing metal with a dielectric precursor or a mixture of a dielectric and a dielectric precursor, and mixing the mixture into a pellet form. For hydrothermal treatment or solvothermal treatment
Therefore, it includes performing a dielectric formation reaction inside the pellet.

金属粒子を用いる場合の模式図を図8に示す。図8の左の図に示すように、微小金属粒子と誘電体の前駆体とを混合し、耐圧力容器内で熱処理を行うソルボサーマル処理又は水熱処理により、誘電体に微小金属粒子が分散した構造を作製する。 A schematic diagram in the case of using metal particles is shown in FIG. As shown in the left diagram of FIG. 8, the fine metal particles are dispersed in the dielectric by solvothermal treatment or hydrothermal treatment in which the fine metal particles and the dielectric precursor are mixed and heat-treated in a pressure-resistant container. Create the structure.

金属を含む複合粒子を用いる場合を図9に示す。図9の左の図に示すように、図8における微小金属粒子の代わりに金属をコアとし、そのコアの表面を覆う誘電体をシェルとする複合粒子を用いている。この複合粒子と誘電体の前駆体とを混合し、耐圧力容器内で熱処理を行うソルボサーマル処理又は水熱処理により、誘電体に微小金属粒子が分散した構造を作製する。 FIG. 9 shows a case where composite particles containing a metal are used. As shown in the left figure of FIG. 9, instead of the fine metal particles in FIG. 8, composite particles having a metal as a core and a dielectric covering the surface of the core as a shell are used. The composite particles are mixed with a dielectric precursor, and a structure in which fine metal particles are dispersed in the dielectric is produced by solvothermal treatment or hydrothermal treatment in which heat treatment is performed in a pressure-resistant container.

図8、図9では、誘電体の前駆体を用いているが、第1の誘電体の前駆体と第2の誘電体を混合したものを用いても構わない。ここで第1の誘電体と第2の誘電体は同一のものであっても、異なるものであっても構わない。 8 and 9, a dielectric precursor is used, but a mixture of a first dielectric precursor and a second dielectric may be used. Here, the first dielectric and the second dielectric may be the same or different.

微小な金属粒子、あるいはコアとして用いる金属は、水熱処理やソルボサーマル処理において溶媒に溶解しないことが必要であり、例えばチタン、ニッケル、スズ、銀、パラジウム、白金、銀、金などの粒子を用いることができる。 Fine metal particles or metal used as a core must not be dissolved in a solvent during hydrothermal treatment or solvothermal treatment. For example, particles such as titanium, nickel, tin, silver, palladium, platinum, silver, and gold are used. be able to.

また誘電体の種類に関して特に制限はなく、例えばチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ニオブ酸カリウム、ジルコン酸バリウムなどを用いることができる。誘電体の前駆体に関しては、例えばチタン酸バリウムの前駆体であれば酸化チタンなどを用いる。また前駆体は酸化物に限らず、水酸化物などでもよい。結晶性の化合物でなくてもよい。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular regarding the kind of dielectric material, For example, barium titanate, strontium titanate, potassium niobate, a barium zirconate etc. can be used. With respect to the dielectric precursor, for example, titanium oxide is used in the case of a barium titanate precursor. The precursor is not limited to an oxide, but may be a hydroxide. It may not be a crystalline compound.

以下に、本発明の実施例1について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, Example 1 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

<チタン粒子を用いたチタン/チタン酸バリウム複合キャパシタの作製>
図10に本実施例による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の模式図を、図11に製造フローを示す。チタン粒子(粒径〜45μm)を、粒径50〜100nm程度のルチル型の酸化チタン粒子及び粒径100nmのチタン酸バリウム粒子と混合し、チタン粒子の含有率が20〜80質量%となるように混合粉を調製する。ここで酸化チタン粒子とチタン酸バリウムの混合比はモル比で1:1となるようにする。この際、それぞれの粒子の比重が大きく異なるため、例えば原料粉にアセトンなどの溶媒を加え、超音波処理を施しながら撹拌し、溶媒を蒸発させるなどして金属粒子と前駆体粒子がよく混ざりあうようにすることが望ましい。
<Production of titanium / barium titanate composite capacitor using titanium particles>
FIG. 10 is a schematic diagram of a method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to the present embodiment, and FIG. 11 is a production flow. Titanium particles (particle size: 45 μm) are mixed with rutile-type titanium oxide particles having a particle size of about 50-100 nm and barium titanate particles having a particle size of 100 nm so that the content of titanium particles is 20-80% by mass. Prepare mixed powder. Here, the mixing ratio of the titanium oxide particles and barium titanate is set to 1: 1 as a molar ratio. At this time, since the specific gravity of each particle is greatly different, for example, a solvent such as acetone is added to the raw material powder, stirred while applying ultrasonic treatment, and the solvent is evaporated to mix the metal particles and the precursor particles well. It is desirable to do so.

この混合粉100mgをダイス(金型)に入れ、5tの一軸加圧によって直径10mmのペレット状に成形する。   100 mg of this mixed powder is put into a die (die) and formed into a pellet shape having a diameter of 10 mm by uniaxial pressing of 5 tons.

これらのペレットをフッ素樹脂容器にそれぞれ移し、50mMの水酸化バリウム八水和物水溶液、7.5mLを加える。このフッ素樹脂容器をオートクレーブ容器内に密閉し、160℃で24時間保持することによって、酸化チタンと水酸化バリウムを反応させ、チタン酸バリウムを生成する。なおこの際の反応式は以下のように表わされる。
TiO2+Ba(OH)2→BaTiO3+H2O
Each of these pellets is transferred to a fluororesin container, and 50 mL of 50 mM barium hydroxide octahydrate aqueous solution and 7.5 mL are added. The fluororesin container is sealed in an autoclave container and kept at 160 ° C. for 24 hours, whereby titanium oxide and barium hydroxide are reacted to generate barium titanate. In this case, the reaction formula is expressed as follows.
TiO2 + Ba (OH) 2 → BaTiO3 + H2O

得られた試料ペレットを水及びメタノールで洗浄し、80℃にて乾燥をおこなう。 The obtained sample pellet is washed with water and methanol and dried at 80 ° C.

この金属と誘電体の複合構造体の両面にスパッタによって金電極を形成し、その後切断することによって微小金属粒子含有セラミックキャパシタを得ることができる。   A metal capacitor containing fine metal particles can be obtained by forming gold electrodes on both surfaces of the composite structure of metal and dielectric by sputtering and then cutting the gold electrodes.

得られた金属と誘電体の複合構造体のBT変換率、開気孔率、相対密度は、チタン粒子の混合比を変えた水準で表1に示すような結果となった。   The BT conversion rate, open porosity, and relative density of the obtained composite structure of metal and dielectric were as shown in Table 1 at the level where the mixing ratio of titanium particles was changed.

図12に示すSEM観察結果からは、得られた金属と誘電体の複合構造体は多孔体であり、チタン酸バリウムのナノ粒子と、マイクロサイズのチタン金属粒子からなることが分かった。またペレットに含まれていたチタン酸バリウム粒子は、水熱処理によって成長し、粒径が増加していることも確認された。   From the SEM observation results shown in FIG. 12, it was found that the obtained composite structure of metal and dielectric was a porous body and comprised of barium titanate nanoparticles and micro-sized titanium metal particles. It was also confirmed that the barium titanate particles contained in the pellets were grown by hydrothermal treatment and the particle size was increased.

得られた金属と誘電体の複合構造体は、図13に示すXRD測定の結果から原料である酸化チタンの残存はなく、チタン金属とチタン酸バリウムの混相であることが分かった。このように予め原料粉に添加したチタン酸バリウムが成長することによって、あるいは酸化チタンと水酸化バリウムの反応から生成したチタン酸バリウムが成長することによって粒子間に結合が生まれ、誘電体粒子同士が強固に繋がった構造体を作製することができる。反応スキームを改めて図示すると図14のようになるといえる。   From the result of the XRD measurement shown in FIG. 13, it was found that the obtained composite structure of metal and dielectric had no residual titanium oxide as a raw material and was a mixed phase of titanium metal and barium titanate. Thus, the growth of the barium titanate added to the raw material powder in advance, or the growth of barium titanate generated from the reaction of titanium oxide and barium hydroxide, creates bonds between the particles, and the dielectric particles become A strongly connected structure can be manufactured. It can be said that the reaction scheme is illustrated again as shown in FIG.

得られたキャパシタの誘電特性の周波数依存性の測定は、LCRメーターを用いて室温にておこなった。得られた試料の誘電特性の周波数依存性と、チタン混合比依存性を図15(a)、図15(b)に示す。チタン粒子を80質量%含む混合粉から作製した試料では、金属粒子同士がつながることで電気的なパスが形成され、パーコレーションが起こっている。チタン粒子の混合比が20質量%から40質量%では、比誘電率が低下するが、金属−絶縁体転移が起こる金属濃度(いわゆるパーコレーション閾値)に近い60質量%では、比誘電率の著しい増加が見られる。   The frequency dependence of the dielectric characteristics of the obtained capacitor was measured at room temperature using an LCR meter. FIG. 15 (a) and FIG. 15 (b) show the frequency dependence and titanium mixing ratio dependence of the dielectric properties of the obtained sample. In a sample prepared from a mixed powder containing 80% by mass of titanium particles, an electrical path is formed by connecting metal particles, and percolation occurs. When the mixing ratio of titanium particles is 20% by mass to 40% by mass, the relative dielectric constant decreases. However, when the mixing ratio is 60% by mass close to the metal concentration at which metal-insulator transition occurs (so-called percolation threshold), the relative dielectric constant increases significantly. Is seen.

パーコレーション理論によると、このパーコレーション閾値付近の金属濃度における比誘電率の増加は、複合材料内に形成される金属クラスター同士が接近し、非常に薄い誘電体層を有する微小なキャパシタが3次元的につながることで見かけの比誘電率が増加すると理解される。インピーダンスに関しては、パーコレーションの起こるチタン粒子の混合比が80質量%において、著しい低下が見られる。   According to the percolation theory, the increase in the relative permittivity at the metal concentration in the vicinity of the percolation threshold is that the metal clusters formed in the composite material approach each other, and a very small capacitor having a very thin dielectric layer is three-dimensionally. It is understood that the apparent relative permittivity increases when connected. Regarding the impedance, a significant decrease is observed when the mixing ratio of the titanium particles where percolation occurs is 80% by mass.

以下に、本発明の実施例2について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施例では微小金属粒子を用いる代わりに、図16に示すような金属をコアとしそのコアの表面を覆う誘電体をシェルとする複合粒子を用いている。   Hereinafter, Example 2 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, instead of using fine metal particles, composite particles having a metal as shown in FIG. 16 and a dielectric covering the surface of the core as a shell are used.

<コアシェル粒子の作成方法>
チタン粒子(粒径〜45μm)1gをフッ素樹脂容器に入れ、
そこに50mMの水酸化バリウム八水和物水溶液、7.5mLを加える。このフッ素樹脂容器をオートクレーブ容器内に密閉し、230℃で12時間保持することによって、チタン金属と水酸化バリウムを反応させ、チタン金属表面をチタン酸バリウムの微粒子が緻密に覆ったコアシェル粒子を得ることができる。
<Method of creating core-shell particles>
Put 1g of titanium particles (particle size ~ 45μm) in a fluororesin container,
Thereto, 7.5 mL of 50 mM barium hydroxide octahydrate solution is added. The fluororesin container is sealed in an autoclave container and kept at 230 ° C. for 12 hours to react the titanium metal and barium hydroxide to obtain core-shell particles in which the titanium metal surface is covered with fine particles of barium titanate. be able to.

図17に示すXRD測定の結果から、粒子はチタンとチタン酸バリウムの混相であることが分かる。これは水熱条件下で、チタン金属が水酸化バリウム溶液と反応し、チタン酸バリウムが生成したためである。   From the results of the XRD measurement shown in FIG. 17, it can be seen that the particles are a mixed phase of titanium and barium titanate. This is because, under hydrothermal conditions, titanium metal reacted with the barium hydroxide solution to produce barium titanate.

図18に示すSEM観察の結果からは、チタン金属の表面を、粒径数百nmのチタン酸バリウム粒子が緻密に覆っていることが確認できる。   From the result of SEM observation shown in FIG. 18, it can be confirmed that the surface of titanium metal is densely covered with barium titanate particles having a particle size of several hundred nm.

なお、130℃、12時間の水熱条件においても、同様の形態を有するコアシェル粒子の生成を確認している。   In addition, the production | generation of the core-shell particle which has the same form was confirmed also in 130 degreeC and the hydrothermal conditions for 12 hours.

<コアシェル粒子を用いたチタン/チタン酸バリウム複合キャパシタの作製>
図19に本実施例による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の模式図を、図20に製造フローを示す。前述のチタン/チタン酸バリウムのコアシェル粒子を、粒径50〜100nm程度のルチル型の酸化チタン粒子と混合し、コアシェル粒子の含有率が20〜80質量%となるように混合粉を調製する。この際、それぞれの粒子の比重が大きく異なるため、例えば原料粉にアセトンなどの溶媒を加え、超音波処理を施しながら撹拌し、溶媒を蒸発させるなどして金属粒子と前駆体粒子がよく混ざりあうようにすることが望ましい。
<Production of titanium / barium titanate composite capacitor using core-shell particles>
FIG. 19 shows a schematic diagram of a method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to the present example, and FIG. 20 shows a production flow. The above-mentioned titanium / barium titanate core-shell particles are mixed with rutile-type titanium oxide particles having a particle size of about 50 to 100 nm to prepare a mixed powder so that the content of the core-shell particles is 20 to 80% by mass. At this time, since the specific gravity of each particle is greatly different, for example, a solvent such as acetone is added to the raw material powder, stirred while applying ultrasonic treatment, and the solvent is evaporated to mix the metal particles and the precursor particles well. It is desirable to do so.

この混合粉100mgをダイスに入れ、5tの一軸加圧によって直径10mmのペレット状に成形する。   100 mg of this mixed powder is put into a die and formed into a pellet having a diameter of 10 mm by uniaxial pressing of 5 tons.

これらのペレットをフッ素樹脂容器にそれぞれ移し、50mMの水酸化バリウム八水和物水溶液、7.5mLを加える。このフッ素樹脂容器をオートクレーブ容器内に密閉し、160℃で24時間保持することによって、酸化チタンと水酸化バリウムを反応させ、チタン酸バリウムを生成させる。なおこの際の反応式は以下のように表わされる。
TiO2+Ba(OH)2→BaTiO3+H2O
Each of these pellets is transferred to a fluororesin container, and 50 mL of 50 mM barium hydroxide octahydrate aqueous solution and 7.5 mL are added. This fluororesin container is sealed in an autoclave container and kept at 160 ° C. for 24 hours, whereby titanium oxide and barium hydroxide are reacted to generate barium titanate. In this case, the reaction formula is expressed as follows.
TiO2 + Ba (OH) 2 → BaTiO3 + H2O

得られたペレットを水及びメタノールで洗浄し、80℃にて乾燥をおこなう。   The obtained pellets are washed with water and methanol and dried at 80 ° C.

この金属と誘電体の複合構造体の両面にスパッタによって金電極を形成し、その後切断することによって微小金属粒子含有セラミックキャパシタを得ることができる。   A metal capacitor containing fine metal particles can be obtained by forming gold electrodes on both surfaces of the composite structure of metal and dielectric by sputtering and then cutting the gold electrodes.

得られた金属と誘電体の複合構造体の質量変化率、理論質量変化率、相対質量、開気孔率は、チタン粒子の混合比を変えた水準で表2に示すような結果となった。   The mass change rate, theoretical mass change rate, relative mass, and open porosity of the obtained composite structure of metal and dielectric were as shown in Table 2 at a level where the mixing ratio of titanium particles was changed.

図21に示すSEM観察結果からは、得られた金属と誘電体の複合構造体は多孔体であり、チタン酸バリウムのナノ粒子と、マイクロサイズのチタン金属粒子を含むことが分かった。   From the SEM observation results shown in FIG. 21, it was found that the obtained composite structure of metal and dielectric was a porous body and contained barium titanate nanoparticles and micro-sized titanium metal particles.

得られた金属と誘電体の複合構造体は、図22に示すXRD測定の結果から、原料である酸化チタンが残存していることが分かり、チタン金属、チタン酸バリウム、酸化チタンの混相であることが分かった。酸化チタンがより多く含まれている原料粉から作製した試料ほど、酸化チタンの残存量が多い。これは反応溶液中の水酸化バリウムの量が一定であるためである。例えば、図23に示す混合粉のペレットに含まれる酸化チタンと反応溶液に含まれる水酸化バリウムのモル比と相対質量の関係を見ると、酸化チタンに対する水酸化バリウムのモル比が多いほど、チタン酸バリウムの生成反応がより促進される傾向を示す。従って本作製プロセスにおいて、ペレットに含まれる誘電体の前駆体の物質量と、反応溶液中に含まれる金属イオンの物質量の比は重要なファクターの一つである。   From the result of the XRD measurement shown in FIG. 22, the obtained composite structure of metal and dielectric material shows that the raw material titanium oxide remains, and is a mixed phase of titanium metal, barium titanate, and titanium oxide. I understood that. The sample produced from the raw material powder containing more titanium oxide has a larger amount of remaining titanium oxide. This is because the amount of barium hydroxide in the reaction solution is constant. For example, looking at the relationship between the molar ratio of titanium oxide contained in the mixed powder pellets shown in FIG. 23 and the relative mass of barium hydroxide contained in the reaction solution, the higher the molar ratio of barium hydroxide to titanium oxide, It shows a tendency that the formation reaction of barium acid is further accelerated. Therefore, in this manufacturing process, the ratio of the amount of the dielectric precursor contained in the pellet to the amount of the metal ion contained in the reaction solution is one of the important factors.

このように予め原料粉に添加した酸化チタンと、水酸化バリウムの反応からチタン酸バリウムが生成し、それが成長することによって粒子間に結合が生まれ、誘電体粒子同士が強固に繋がった構造体を作製することができる。反応スキームを改めて図24に示す。   A structure in which barium titanate is generated from the reaction of titanium oxide previously added to the raw material powder and barium hydroxide and grows to form bonds between the particles, and the dielectric particles are firmly connected to each other. Can be produced. The reaction scheme is shown again in FIG.

得られたキャパシタの誘電特性の周波数依存性の測定は、LCRメーターを用いて室温にておこなった。図25に示す得られたチタン/チタン酸バリウム複合キャパシタの誘電特性は、特に低周波数領域において大きく周波数に依存する。得られた複合キャパシタの比誘電率及び誘電損失は周波数が増加するに従い、減少する傾向がある。   The frequency dependence of the dielectric characteristics of the obtained capacitor was measured at room temperature using an LCR meter. The dielectric characteristics of the obtained titanium / barium titanate composite capacitor shown in FIG. 25 largely depend on the frequency, particularly in the low frequency region. The relative permittivity and dielectric loss of the obtained composite capacitor tend to decrease as the frequency increases.

図26に示す得られた複合キャパシタのインピーダンスは、周波数の増加に対して、指数関数的に減少する。   The impedance of the obtained composite capacitor shown in FIG. 26 decreases exponentially with increasing frequency.

得られたチタン/チタン酸バリウム複合キャパシタの比誘電率は、図27に示すように、チタン/チタン酸バリウム コアシェル粒子の混合比が多い試料ほど、増加する傾向が見られる。特にコアシェル粒子の混合比が80質量%の試料においては、比誘電率が750〜950程度であり、誘電損失の値も10%以下である。コアシェル粒子の混合比が多い試料ほど、比誘電率が増加するのは、前述したパーコレーション効果によるものである。   As shown in FIG. 27, the relative permittivity of the obtained titanium / barium titanate composite capacitor tends to increase as the mixing ratio of titanium / barium titanate core-shell particles increases. In particular, in a sample having a mixing ratio of core-shell particles of 80% by mass, the relative dielectric constant is about 750 to 950, and the value of dielectric loss is 10% or less. The reason why the relative permittivity increases as the mixing ratio of the core-shell particles increases is due to the percolation effect described above.

以下に、本発明の実施例3について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施例でも実施例2で用いたコアシェル粒子を用いている。
<コアシェル粒子を用いたチタン/チタン酸バリウム複合キャパシタの作製>
図28に本実施例による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の模式図を、図29に製造フローを示す。チタン/チタン酸バリウム
コアシェル粒子を、粒径50〜100nm程度のルチル型の酸化チタン粒子及び粒径100nmのチタン酸バリウム粒子と混合し、コアシェル粒子の含有率が20〜80質量%となるように混合粉を調製する。この際、それぞれの粒子の比重が大きく異なるため、例えば原料粉にアセトンなどの溶媒を加え、超音波処理を施しながら撹拌し、溶媒を蒸発させるなどして金属粒子と前駆体粒子がよく混ざりあうようにすることが望ましい。
Hereinafter, Example 3 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Also in this example, the core-shell particles used in Example 2 are used.
<Production of titanium / barium titanate composite capacitor using core-shell particles>
FIG. 28 is a schematic diagram of a method for producing a fine metal particle-containing ceramic capacitor according to this example, and FIG. 29 is a production flow. Titanium / barium titanate core-shell particles are mixed with rutile-type titanium oxide particles having a particle size of about 50 to 100 nm and barium titanate particles having a particle size of 100 nm so that the content of the core-shell particles is 20 to 80% by mass. Prepare mixed powder. At this time, since the specific gravity of each particle is greatly different, for example, a solvent such as acetone is added to the raw material powder, stirred while applying ultrasonic treatment, and the solvent is evaporated to mix the metal particles and the precursor particles well. It is desirable to do so.

この混合粉100mgをダイス(金型)に入れ、5tの一軸加圧によって直径10mmのペレット状に成形する。   100 mg of this mixed powder is put into a die (die) and formed into a pellet shape having a diameter of 10 mm by uniaxial pressing of 5 tons.

これらのペレットをフッ素樹脂容器にそれぞれ移し、50mMの水酸化バリウム八水和物水溶液、7.5mLを加えた。このフッ素樹脂容器をオートクレーブ容器内に密閉し、160℃で24時間保持することによって、酸化チタンと水酸化バリウムを反応させ、チタン酸バリウムを生成させる。なおこの際の反応式は以下のように表わされる。
TiO2+Ba(OH)2→BaTiO3+H2O
Each of these pellets was transferred to a fluororesin container, and a 50 mM barium hydroxide octahydrate aqueous solution and 7.5 mL were added. This fluororesin container is sealed in an autoclave container and kept at 160 ° C. for 24 hours, whereby titanium oxide and barium hydroxide are reacted to generate barium titanate. In this case, the reaction formula is expressed as follows.
TiO2 + Ba (OH) 2 → BaTiO3 + H2O

得られた試料ペレットを水及びメタノールで洗浄し、80℃にて乾燥をおこなう。   The obtained sample pellet is washed with water and methanol and dried at 80 ° C.

この試料の両面にスパッタによって金電極を形成し、その後切断することによって微小金属粒子含有セラミックキャパシタを得ることができる。   A ceramic electrode containing fine metal particles can be obtained by forming gold electrodes on both surfaces of the sample by sputtering and then cutting the gold electrodes.

得られた金属と誘電体の複合構造体のBT変換率、開気孔率、相対密度は、チタン粒子の混合比を変えた水準で表3に示すような結果となった。   The BT conversion rate, open porosity, and relative density of the obtained composite structure of metal and dielectric were as shown in Table 3 at the level where the mixing ratio of titanium particles was changed.

図30に示すSEM観察結果からは、得られた金属と誘電体の複合構造体は多孔体であり、チタン酸バリウムのナノ粒子と、マイクロサイズのチタン金属粒子からなることが分かった。また試料ペレットに含まれていたチタン酸バリウム粒子は、水熱処理によって成長し、粒径が増加していることも確認された。この際、シェル層を構成するチタン酸バリウム粒子の粒径も増加している。   From the SEM observation results shown in FIG. 30, it was found that the obtained composite structure of metal and dielectric was a porous body and comprised of barium titanate nanoparticles and micro-sized titanium metal particles. It was also confirmed that the barium titanate particles contained in the sample pellets were grown by hydrothermal treatment and the particle size was increased. At this time, the particle size of the barium titanate particles constituting the shell layer is also increasing.

得られた金属と誘電体の複合構造体は、図31に示すXRD測定の結果から、原料である酸化チタンの残存はなく、チタン金属とチタン酸バリウムの混相であることが分かった。   From the result of XRD measurement shown in FIG. 31, it was found that the obtained composite structure of metal and dielectric had no residual titanium oxide as a raw material and was a mixed phase of titanium metal and barium titanate.

このように予め原料粉に添加したチタン酸バリウムが成長することによって、あるいは酸化チタンと水酸化バリウムの反応から生成したチタン酸バリウムが成長することによって粒子間に結合が生まれ、誘電体粒子同士が強固に繋がった構造体を作製することができる。反応スキームを改めて図32に示す。   Thus, the growth of the barium titanate added to the raw material powder in advance, or the growth of barium titanate generated from the reaction of titanium oxide and barium hydroxide, creates bonds between the particles, and the dielectric particles become A strongly connected structure can be manufactured. The reaction scheme is shown again in FIG.

得られたキャパシタの誘電特性の周波数依存性の測定は、LCRメーターを用いて室温にておこなった。図33に示す得られたチタン/チタン酸バリウム複合キャパシタの誘電特性は、特に低周波数領域において大きく周波数に依存する。得られた複合キャパシタの比誘電率及び誘電損失は周波数が増加するに従い、減少する傾向がある。   The frequency dependence of the dielectric characteristics of the obtained capacitor was measured at room temperature using an LCR meter. The dielectric characteristics of the obtained titanium / barium titanate composite capacitor shown in FIG. 33 largely depend on the frequency, particularly in the low frequency region. The relative permittivity and dielectric loss of the obtained composite capacitor tend to decrease as the frequency increases.

図34に示す得られた複合キャパシタのインピーダンスは、周波数の増加に対して、指数関数的に減少する。   The impedance of the obtained composite capacitor shown in FIG. 34 decreases exponentially with increasing frequency.

得られたチタン/チタン酸バリウム複合キャパシタの比誘電率は、図35に示すように、チタン/チタン酸バリウム コアシェル粒子の混合比が多い試料ほど、増加する傾向が見られる。特にコアシェル粒子の混合比が80質量%の試料においては、比誘電率が3000〜4500程度であり、誘電損失の値も10%以下である。コアシェル粒子の混合比が多い試料ほど、比誘電率が増加するのは、前述したパーコレーション効果によるものである。   As shown in FIG. 35, the relative permittivity of the obtained titanium / barium titanate composite capacitor tends to increase as the sample has a higher mixing ratio of titanium / barium titanate core-shell particles. In particular, in a sample having a mixing ratio of core-shell particles of 80% by mass, the relative dielectric constant is about 3000 to 4500, and the value of dielectric loss is 10% or less. The reason why the relative permittivity increases as the mixing ratio of the core-shell particles increases is due to the percolation effect described above.

以下に、本発明の実施例4について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施例では金属粒子としてニッケルを用いている。
<ニッケル粒子を用いたニッケル/チタン酸バリウム複合キャパシタの作製>
図36に本実施例による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法の模式図を、図37に製造フローを示す。ニッケル粒子(粒径2〜3μm)を、粒径50〜100nm程度のルチル型の酸化チタン粒子及び粒径300nmのチタン酸バリウム粒子と混合し、ニッケル粒子の含有率が20〜50質量%となるように混合粉を調製する。また、ここで酸化チタン粒子とチタン酸バリウムの混合比はモル比で1:1となるようにする。この際、混合はハンドミルによっておこなう。
Hereinafter, Example 4 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, nickel is used as the metal particles.
<Preparation of nickel / barium titanate composite capacitor using nickel particles>
FIG. 36 shows a schematic diagram of a method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to the present example, and FIG. 37 shows a production flow. Nickel particles (particle size 2 to 3 μm) are mixed with rutile-type titanium oxide particles having a particle size of about 50 to 100 nm and barium titanate particles having a particle size of 300 nm, and the content of nickel particles is 20 to 50% by mass. Prepare the mixed powder as follows. Here, the mixing ratio of the titanium oxide particles and barium titanate is set to 1: 1 as a molar ratio. At this time, mixing is performed by a hand mill.

この混合粉100mgをダイスに入れ、5tの一軸加圧によって直径10mmのペレット状に成形する。   100 mg of this mixed powder is put into a die and formed into a pellet having a diameter of 10 mm by uniaxial pressing of 5 tons.

これらのペレットをフッ素樹脂容器にそれぞれ移し、50mMの水酸化バリウム八水和物水溶液、7.5mLを加えた。このフッ素樹脂容器をオートクレーブ容器内に密閉し、160℃で24時間保持することによって、酸化チタンと水酸化バリウムを反応させ、チタン酸バリウムを生成する。なおこの際の反応式は以下のように表わされる。
TiO2+Ba(OH)2→BaTiO3+H2O
Each of these pellets was transferred to a fluororesin container, and a 50 mM barium hydroxide octahydrate aqueous solution and 7.5 mL were added. The fluororesin container is sealed in an autoclave container and kept at 160 ° C. for 24 hours, whereby titanium oxide and barium hydroxide are reacted to generate barium titanate. In this case, the reaction formula is expressed as follows.
TiO2 + Ba (OH) 2 → BaTiO3 + H2O

得られたペレットを水及びメタノールで洗浄し、80℃にて乾燥をおこなう。   The obtained pellets are washed with water and methanol and dried at 80 ° C.

この金属と誘電体の複合構造体の両面にスパッタによって金電極を形成し、その後切断することによって微小金属粒子含有セラミックキャパシタを得ることができる。   A metal capacitor containing fine metal particles can be obtained by forming gold electrodes on both surfaces of the composite structure of metal and dielectric by sputtering and then cutting the gold electrodes.

得られた金属と誘電体の複合構造体は、図38に示すXRD測定の結果から、原料である酸化チタンの残存はなく、ニッケル金属とチタン酸バリウムの混相であることが分かった。得られた試料は多孔体であり、チタン酸バリウムのナノ粒子と、マイクロサイズのニッケル金属粒子からなる。   From the result of the XRD measurement shown in FIG. 38, it was found that the obtained composite structure of metal and dielectric had no residual titanium oxide as a raw material and was a mixed phase of nickel metal and barium titanate. The obtained sample is a porous body and is composed of nanoparticles of barium titanate and micro-sized nickel metal particles.

このように予め原料粉に添加したチタン酸バリウムが成長することによって、あるいは酸化チタンと水酸化バリウムの反応から生成したチタン酸バリウムが成長することによって粒子間に結合が生まれ、誘電体粒子同士が強固に繋がった構造体を作製することができる。反応スキームを改めて図39に示す。   Thus, the growth of the barium titanate added to the raw material powder in advance, or the growth of barium titanate generated from the reaction of titanium oxide and barium hydroxide, creates bonds between the particles, and the dielectric particles become A strongly connected structure can be manufactured. The reaction scheme is shown again in FIG.

得られたキャパシタの誘電特性の周波数依存性の測定は、LCRメーターを用いて室温にておこなった。得られたニッケル/チタン酸バリウム複合キャパシタの誘電特性は、特に低周波数領域において大きく周波数に依存する。得られた複合キャパシタの比誘電率及び誘電損失は周波数が増加するに従い、減少する傾向がある。   The frequency dependence of the dielectric characteristics of the obtained capacitor was measured at room temperature using an LCR meter. The dielectric characteristics of the obtained nickel / barium titanate composite capacitor depend largely on the frequency, particularly in the low frequency region. The relative permittivity and dielectric loss of the obtained composite capacitor tend to decrease as the frequency increases.

得られたニッケル/チタン酸バリウム複合キャパシタの比誘電率は、図40に示すようにニッケル粒子の混合比が多い試料ほど、増加する傾向が見られる。特にニッケル粒子の混合比が50質量%の試料においては、比誘電率が最大で10の4乗オーダーとなる。誘電損失の値はニッケル粒子の混合比が多い試料ほど、増加する傾向を示す。   As shown in FIG. 40, the relative permittivity of the obtained nickel / barium titanate composite capacitor tends to increase as the mixing ratio of nickel particles increases. In particular, in a sample having a mixing ratio of nickel particles of 50% by mass, the relative dielectric constant is on the order of 10 to the fourth power. The value of the dielectric loss tends to increase as the mixing ratio of nickel particles increases.

本発明による微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法は、微小金属粒子が誘電体層に高濃度で分散した構造を持つセラミックキャパシタを低温で作製することができる。本発明の製造方法で作製した微小金属粒子含有セラミックキャパシタは、出力密度とエネルギー密度に優れているため、電子部品のみならず、エネルギー蓄積デバイスとしての用途の可能性も高い。生産が不安定な再生可能エネルギーの蓄積、非常時における停電対策用蓄電システム、持ち運びが可能な緊急時対策用のエネルギー供給源など、多くの用途に用いることも可能である。   The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to the present invention can produce a ceramic capacitor having a structure in which fine metal particles are dispersed at a high concentration in a dielectric layer at a low temperature. Since the ceramic capacitor containing fine metal particles produced by the production method of the present invention is excellent in output density and energy density, it is highly likely to be used not only as an electronic component but also as an energy storage device. It can also be used for many purposes, such as the accumulation of renewable energy with unstable production, a power storage system for power failure countermeasures in an emergency, and an energy supply source for emergency countermeasures that can be carried.

Claims (15)

金属を含む微小粒子と第1の誘電体の前駆体とを混合する、又は金属を含む微小粒子と第1の誘電体の前駆体と第2の誘電体とを混合するステップと、
前記混合した混合物をペレット状に成型するステップと、
前記成型したペレットを水熱処理又はソルボサーマル処理を行い、前記第1の誘電体の前駆体を第1の誘電体に変化させるステップと、
を備えたことを特徴とする微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。
Mixing the metal-containing microparticles with the first dielectric precursor, or mixing the metal-containing microparticles with the first dielectric precursor and the second dielectric;
Molding the mixed mixture into pellets;
Performing hydrothermal treatment or solvothermal treatment on the molded pellets, and changing the first dielectric precursor to the first dielectric; and
A method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles.
前記第1の誘電体の前駆体は金属の酸化物又は水酸化物であることを特徴とする請求項1に記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   2. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to claim 1, wherein the precursor of the first dielectric is a metal oxide or hydroxide. 前記第1の誘電体及び前記第2の誘電体はそれぞれ、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ニオブ酸カリウム、ジルコン酸バリウム又はこれらの混合物であることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   3. The first dielectric body and the second dielectric body are each barium titanate, strontium titanate, potassium niobate, barium zirconate, or a mixture thereof. A method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to 1. 前記金属が、ニッケル、チタン、スズ、パラジウム、白金、銀、金から選ばれる金属又はこれらの金属の合金若しくは混合物であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   4. The fine metal particle according to claim 1, wherein the metal is a metal selected from nickel, titanium, tin, palladium, platinum, silver, and gold, or an alloy or a mixture of these metals. A method for producing a ceramic capacitor. 前記金属を含む微小粒子は、金属粒子であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   5. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to claim 1, wherein the fine particles containing metal are metal particles. 前記金属粒子がチタン又はニッケルであることを特徴とする請求項5に記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   6. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to claim 5, wherein the metal particles are titanium or nickel. 前記金属を含む微小粒子は、金属粒子であるコアと、前記コアの表面を覆う誘電体であるシェルを備えた複合粒子であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   5. The microparticle according to claim 1, wherein the metal-containing microparticle is a composite particle including a core that is a metal particle and a shell that is a dielectric covering the surface of the core. A manufacturing method of a ceramic capacitor containing metal particles. 前記コアがチタンであり、前記シェルがチタン酸バリウムであることを特徴とする請求項7に記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   8. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to claim 7, wherein the core is titanium and the shell is barium titanate. 前記水熱処理又はソルボサーマル処理は、バリウムを含む塩基性溶液を加え、耐圧力容器内で130℃以上の温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   9. The micrometal according to claim 1, wherein the hydrothermal treatment or solvothermal treatment is performed by adding a basic solution containing barium and performing a heat treatment at a temperature of 130 ° C. or more in a pressure-resistant container. A method for producing a particle-containing ceramic capacitor. 前記バリウムを含む塩基性溶液は、水酸化バリウム八水和物水溶液であることを特徴とする請求項9に記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   10. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to claim 9, wherein the basic solution containing barium is a barium hydroxide octahydrate aqueous solution. 前記バリウムを含む塩基性溶液は、バリウム源としての酢酸バリウムとペーハーコントロール剤としての水酸化ナトリウムの混合液であることを特徴とする請求項9に記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   10. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to claim 9, wherein the basic solution containing barium is a mixed solution of barium acetate as a barium source and sodium hydroxide as a pH control agent. 前記コアがチタンであり前記シェルがチタン酸バリウムである前記金属を含む微小粒子は、チタン粒子とバリウムを含む塩基性溶液を耐圧力容器内で130℃以上の温度で熱処理を行うことにより得ることを特徴とする請求項8に記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。 The metal-containing microparticles in which the core is titanium and the shell is barium titanate are obtained by heat-treating a basic solution containing titanium particles and barium at a temperature of 130 ° C. or higher in a pressure-resistant vessel. 9. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to claim 8, wherein: 前記コアがチタンであり前記シェルがチタン酸バリウムである前記金属を含む微小粒子は、チタン粒子と水酸化バリウム八水和物水溶液を耐圧力容器内で230℃で12時間熱処理を行うことにより得ることを特徴とする請求項12に記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   The metal-containing fine particles in which the core is titanium and the shell is barium titanate are obtained by heat-treating titanium particles and an aqueous solution of barium hydroxide octahydrate at 230 ° C. for 12 hours in a pressure-resistant vessel. 13. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to claim 12, wherein: 前記金属を含む微小粒子と前記第1の誘電体の前駆体との混合又は前記金属を含む微小粒子と前記第1の誘電体の前駆体と前記第2の誘電体との混合は、アセトンを溶媒として加え、超音波処理を施しながら撹拌することを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   A mixture of the metal-containing microparticles and the first dielectric precursor or a mixture of the metal-containing microparticles, the first dielectric precursor and the second dielectric is acetone. 14. The method for producing a ceramic capacitor containing fine metal particles according to any one of claims 1 to 13, wherein stirring is performed while applying ultrasonic waves as a solvent. 水熱処理又はソルボサーマル処理を行った前記ペレットを、水及びメタノールで洗浄し、その後乾燥するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の微小金属粒子含有セラミックキャパシタの製造方法。   The ceramic capacitor containing fine metal particles according to any one of claims 1 to 14, further comprising a step of washing the pellets subjected to hydrothermal treatment or solvothermal treatment with water and methanol and then drying the pellets. Manufacturing method.
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