JP7651035B2 - Dielectrics and electrical parts containing them - Google Patents
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Description
本発明は、誘電体及びこれを含む電気部品に関する。 The present invention relates to a dielectric and an electrical component including the same.
誘電体は、電子機器用の絶縁材、キャパシタ用の電極間材料、半導体素子用の絶縁膜等の多様な用途で使用されてきた。近年、各種電気部品における小型化及び軽量化の要求により、誘電体を微細サイズの構造体として高精度に形成することが望まれている。例えば、誘電体をメタマテリアル(より具体的には、電磁波の波長よりも微細なサイズの周期構造を有することで当該電磁波に対して自然界の物質にはない挙動を示す人工物質)として機能させることで、当該誘電体をバンドパスフィルタ、高性能レンズ、電磁波反射板等に利用することが検討されている。 Dielectrics have been used in a variety of applications, such as insulating materials for electronic devices, interelectrode materials for capacitors, and insulating films for semiconductor elements. In recent years, there has been a demand for miniaturization and weight reduction in various electrical components, and so there is a demand for highly accurate formation of dielectrics as micro-sized structures. For example, by making dielectrics function as metamaterials (more specifically, artificial materials that have a periodic structure finer than the wavelength of electromagnetic waves and therefore exhibit behavior in response to the electromagnetic waves that is not found in natural materials), it is being considered to use the dielectrics in bandpass filters, high-performance lenses, electromagnetic wave reflectors, and the like.
誘電体の材質としては、ポリマー、セラミックス等が知られている。中でも、金属酸化物粒子とポリマーとを含む誘電体は、誘電率の調整が比較的容易であることから種々のものが従来提案されている。 Known dielectric materials include polymers and ceramics. Among them, various dielectric materials containing metal oxide particles and polymers have been proposed so far because it is relatively easy to adjust the dielectric constant.
特許文献1は、酸化亜鉛微粒子と該酸化亜鉛微粒子の表面に形成されている平均厚さが5~500nmの高分子被覆層とからなる高分子被覆酸化亜鉛微粒子を含有することを特徴とする誘電体薄膜を記載する。
特許文献2は、高分子グラフト鎖が形成された高誘電体微粒子が前記高分子グラフト鎖を介して2次元又は3次元に配列されていることを特徴とする透明誘電性フィルムを記載し、高誘電体微粒子が、BaTiO3微粒子、TiO2微粒子及びZrO2微粒子からなる群から選択される少なくとも1種であってよいことを記載する。 Patent Document 2 describes a transparent dielectric film characterized in that high dielectric fine particles having polymer graft chains formed thereon are arranged two-dimensionally or three-dimensionally via the polymer graft chains, and describes that the high dielectric fine particles may be at least one type selected from the group consisting of BaTiO3 fine particles, TiO2 fine particles, and ZrO2 fine particles.
しかし、特許文献1及び2に記載されるような、微粒子を含有する誘電体には、空隙が生じやすいという問題がある。当該空隙は、誘電体の高誘電率化(典型的には、比誘電率3以上)の妨げになるとともに、誘電体内の構造不均一によって例えば電気部品におけるリーク電流の一因になり得る。すなわち、従来技術では、低誘電率から高誘電率までの広範な範囲で所望の誘電率を簡便且つ安定的に実現できる誘電体は得られていない。
However, dielectrics containing fine particles as described in
本発明は上記の課題を解決し、低誘電率から高誘電率までの広範な範囲から選択された所望の誘電率を簡便且つ安定的に実現できる誘電体、及びこれを含む電気部品を提供することを目的とする。 The present invention aims to solve the above problems and provide a dielectric that can easily and stably achieve a desired dielectric constant selected from a wide range from low to high dielectric constants, and an electrical component that includes the dielectric.
本開示は、以下の項目を包含する。
[項目1]
金属酸化物粒子と、不揮発性有機物と、を含み、
前記金属酸化物粒子の多分散指数が、10%以上40%以下である、誘電体。
[項目2]
前記誘電体の比誘電率が、1.5以上10000以下である、項目1に記載の誘電体。
[項目3]
前記金属酸化物粒子の平均粒子径が、1nm以上10μm以下である、項目1又は2に記載の誘電体。
[項目4]
前記金属酸化物粒子が、酸化銅を含む、項目1~3のいずれかに記載の誘電体。
[項目5]
前記不揮発性有機物の比誘電率が、2以上30以下である、項目1~4のいずれかに記載の誘電体。
[項目6]
項目1~5のいずれかに記載の誘電体を含む誘電部材であって、電子機器用絶縁材、半導体素子用絶縁材、キャパシタ用電極間材料、又は電磁波制御素子用電磁波制御材である、誘電部材。
[項目7]
項目1~5のいずれかに記載の誘電体で構成された誘電体層と、金属層とを含む電磁波制御素子であって、
前記金属層上に前記誘電体層が周期的に配置されている、電磁波制御素子。
[項目8]
周期的に配置されている金属パターンをさらに含み、
前記金属層と前記金属パターンとの間に前記誘電体層が存在する、
項目7に記載の電磁波制御素子。
[項目9]
前記金属層の面積が、100mm2以上である、項目7又は8に記載の電磁波制御素子。
[項目10]
動作周波数が、0.7GHz以上400THz以下である、項目7~9のいずれかに記載の電磁波制御素子。
[項目11]
0°入射の電磁波に対する反射角が3°以上70°以下の電磁波反射素子である、項目10に記載の電磁波制御素子。
[項目12]
項目7~11のいずれかに記載の電磁波制御素子と、電磁波発信アンテナと、を含む電磁波送受信システム。
[項目13]
項目1~5のいずれかに記載の誘電体で構成された誘電体層と、金属層とを含む電磁波制御素子の製造方法であって、
金属層上に誘電体を印刷して前記誘電体層を形成する工程を含む、方法。
[項目14]
前記電磁波制御素子が金属パターンを更に含み、
前記誘電体層にエネルギー照射を行って前記金属パターンを形成する工程をさらに含む、項目13に記載の方法。
[項目15]
前記エネルギー照射が光照射である、項目14に記載の方法。
This disclosure encompasses the following items.
[Item 1]
Metal oxide particles and non-volatile organic matter are included,
A dielectric material, wherein the polydispersity index of the metal oxide particles is 10% or more and 40% or less.
[Item 2]
2. The dielectric according to
[Item 3]
3. The dielectric according to
[Item 4]
4. The dielectric according to any one of
[Item 5]
5. The dielectric according to any one of
[Item 6]
6. A dielectric member comprising the dielectric according to any one of
[Item 7]
An electromagnetic wave control element including a dielectric layer made of the dielectric material according to any one of
An electromagnetic wave control element, wherein the dielectric layers are periodically arranged on the metal layer.
[Item 8]
Further comprising a periodically arranged metal pattern;
The dielectric layer is present between the metal layer and the metal pattern.
Item 8. The electromagnetic wave control element according to
[Item 9]
9. The electromagnetic wave control element according to
[Item 10]
10. The electromagnetic wave control element according to any one of
[Item 11]
[Item 12]
[Item 13]
A method for manufacturing an electromagnetic wave control element including a dielectric layer made of the dielectric material according to any one of
A method comprising printing a dielectric onto a metal layer to form said dielectric layer.
[Item 14]
The electromagnetic wave control element further includes a metal pattern,
Item 14. The method of
[Item 15]
15. The method of claim 14, wherein the energy irradiation is light irradiation.
本発明の一態様によれば、低誘電率から高誘電率までの広範な範囲から選択された所望の誘電率を簡便且つ安定的に実現できる誘電体、及びこれを含む電気部品が提供され得る。 According to one aspect of the present invention, a dielectric can be provided that can easily and stably achieve a desired dielectric constant selected from a wide range from low to high dielectric constant, and an electrical component that includes the dielectric can be provided.
以下、本発明の例示の実施形態(本実施形態ということもある。)について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 Below, we will explain exemplary embodiments of the present invention (sometimes referred to as the present embodiment), but the present invention is not limited to these embodiments.
<誘電体>
本発明の一態様は、金属酸化物粒子と、不揮発性有機物とを含む誘電体を提供する。一態様においては、金属酸化物粒子の多分散指数が10%以上40%以下である。誘電率は比誘電率を指標として評価されてよい。本実施形態の誘電体によれば、このような金属酸化物粒子と、不揮発性有機物とを用い、その際、金属酸化物粒子及び不揮発性有機物、並びに任意に追加の成分の種類及び量を適宜選択することによって、誘電率を、低誘電率から高誘電率までの広い範囲から所望に応じて選択できる。誘電体の誘電率を増減する主たる因子としては、金属酸化物粒子の平均粒子径及び多分散度、金属酸化物及び不揮発性有機物の誘電率(具体的にはこれらの物質種)、金属酸化物粒子と不揮発性有機物との比率、誘電体が有する空隙の量等が挙げられる。これらを調整することで、目的の誘電率を簡便且つ安定的に実現可能である。一態様において、金属酸化物粒子の平均粒子径及び/又は多分散指数を変えることで誘電体中の空隙量を低減してよい。
<Dielectric>
One aspect of the present invention provides a dielectric material comprising metal oxide particles and a non-volatile organic material. In one aspect, the polydispersity index of the metal oxide particles is 10% or more and 40% or less. The dielectric constant may be evaluated using the relative dielectric constant as an index. According to the dielectric material of this embodiment, the dielectric constant can be selected as desired from a wide range from a low dielectric constant to a high dielectric constant by using such metal oxide particles and a non-volatile organic material, and by appropriately selecting the type and amount of the metal oxide particles, the non-volatile organic material, and any additional components. The main factors for increasing or decreasing the dielectric constant of the dielectric material include the average particle size and polydispersity of the metal oxide particles, the dielectric constant of the metal oxide and the non-volatile organic material (specifically, the material species of these materials), the ratio of the metal oxide particles to the non-volatile organic material, and the amount of voids in the dielectric material. By adjusting these, the desired dielectric constant can be easily and stably achieved. In one aspect, the amount of voids in the dielectric material may be reduced by changing the average particle size and/or polydispersity index of the metal oxide particles.
[金属酸化物粒子]
金属酸化物粒子を構成する金属酸化物としては、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、コバルト、ニッケル、リチウム、白金、パラジウム、スズ、クロム、鉛、ハフニウム、ジルコニウム、ビスマス、マンガン、チタン、モリブデン、アンチモン、インジウム、ガリウム、カルシウム、ロジウム、イリジウム、ナトリウム、タングステン、ルテニウム、カリウム、カドミウム、オスミウム、ルビジウム、タンタル、ストロンチウム、トリウム、ニオブ、プロトアクチニウム、レニウム、バナジウム、バリウム、ヒ素、アンチモン、ルテチウム、イットリウム、ランタン、ネオジム、ツリウム、ホルミウム、ジスプロシウム及びゲルマニウムから選ばれる1種以上の金属の酸化物が挙げられる。金属酸化物は、2種以上の金属を含む酸化物(例えば、チタン酸バリウム等)であってもよい。金属酸化物の安定性の観点、及び、誘電体が含む金属種と、電気部品において誘電体と接し得る金属層が含む金属種との組合せを電気部品の所望特性(例えば、電磁波反射板用途における電磁波反射特性)に応じて選択することが容易であるという観点から、銀、銅、金、白金、アルミニウム、ニッケル、及び鉄が好ましく、銀、銅、及びアルミニウムがより好ましく、銅がさらに好ましい。したがって、好ましい一態様において、金属酸化物粒子は酸化銅を含む。
[Metal oxide particles]
The metal oxide constituting the metal oxide particles includes one or more metal oxides selected from silver, copper, gold, aluminum, magnesium, zinc, cobalt, nickel, lithium, platinum, palladium, tin, chromium, lead, hafnium, zirconium, bismuth, manganese, titanium, molybdenum, antimony, indium, gallium, calcium, rhodium, iridium, sodium, tungsten, ruthenium, potassium, cadmium, osmium, rubidium, tantalum, strontium, thorium, niobium, protactinium, rhenium, vanadium, barium, arsenic, antimony, lutetium, yttrium, lanthanum, neodymium, thulium, holmium, dysprosium and germanium. The metal oxide may be an oxide containing two or more metals (e.g., barium titanate, etc.). From the viewpoint of the stability of the metal oxide and the ease of selecting a combination of the metal species contained in the dielectric and the metal species contained in the metal layer that can be in contact with the dielectric in the electric component according to the desired characteristics of the electric component (for example, the electromagnetic wave reflection characteristics in an electromagnetic wave reflector application), silver, copper, gold, platinum, aluminum, nickel, and iron are preferred, silver, copper, and aluminum are more preferred, and copper is even more preferred. Thus, in a preferred embodiment, the metal oxide particles contain copper oxide.
金属酸化物粒子を構成する金属酸化物の比誘電率は、誘電体の誘電率を大きくできるという観点から、好ましくは、1.5以上、又は2以上、又は2.5以上、又は5以上であり、例えば電磁波制御用途において電磁波のエネルギー損失を低減する観点から、好ましくは、100以下、又は50以下、又は30以下、又は20以下である。なお上記比誘電率は、2種以上の金属酸化物が使用される場合には各々の金属酸化物の値を意味する。
なお本開示を通じ、比誘電率の好適値は、1kHz~3THzの範囲から選択されたいずれか1つの周波数において測定される比誘電率が当該値であればよいことを意味する。
The relative dielectric constant of the metal oxide constituting the metal oxide particles is preferably 1.5 or more, or 2 or more, or 2.5 or more, or 5 or more from the viewpoint of increasing the dielectric constant of the dielectric, and is preferably 100 or less, or 50 or less, or 30 or less, or 20 or less from the viewpoint of reducing energy loss of electromagnetic waves in, for example, electromagnetic wave control applications. When two or more kinds of metal oxides are used, the above-mentioned relative dielectric constant refers to the value of each metal oxide.
Throughout this disclosure, a suitable value of the dielectric constant means that the dielectric constant measured at any one frequency selected from the range of 1 kHz to 3 THz may be that value.
金属酸化物粒子の平均粒子径は、一態様において、1nm以上、10μm以下である。平均粒子径は、誘電体の所望の誘電率に応じて選択してよい。平均粒子径は、空気中での酸化に対する安定性の観点から、好ましくは、1nm以上、又は5nm以上、又は10nm以上であり、誘電体内が不均一になりにくいこと、及び誘電体の空隙が少ないことで所望の誘電率を安定的に維持できる点で、好ましくは、10μm以下、又は1μm以下、又は100nm以下である。誘電体中の金属酸化物粒子の材質及び含有率が同じである場合、金属酸化物粒子の平均粒子径を大きくすると、誘電体中の空隙が増加することで誘電体の誘電率が小さくなる傾向があることから、例えば、高誘電率が求められる用途においては平均粒子径を比較的小さくすること、例えば100nm以下とすることが有利であり得る。本開示で、平均粒子径は、キュムラント法で測定される値である。 In one embodiment, the average particle diameter of the metal oxide particles is 1 nm or more and 10 μm or less. The average particle diameter may be selected according to the desired dielectric constant of the dielectric. From the viewpoint of stability against oxidation in air, the average particle diameter is preferably 1 nm or more, or 5 nm or more, or 10 nm or more, and from the viewpoint of preventing unevenness in the dielectric and stably maintaining the desired dielectric constant due to the small voids in the dielectric, the average particle diameter is preferably 10 μm or less, or 1 μm or less, or 100 nm or less. When the material and content of the metal oxide particles in the dielectric are the same, if the average particle diameter of the metal oxide particles is increased, the voids in the dielectric tend to increase, thereby decreasing the dielectric constant of the dielectric. Therefore, for example, in applications requiring a high dielectric constant, it may be advantageous to make the average particle diameter relatively small, for example, 100 nm or less. In this disclosure, the average particle diameter is a value measured by the cumulant method.
金属酸化物粒子の平均粒子径は、金属酸化物粒子の製造条件の調整によって制御できる。例えば、酸化銀粒子の平均粒子径は特許文献(例えば特開2003-308730号公報)に記載の方法で制御でき、酸化アルミニウム粒子の平均粒子径は特許文献(例えば特開2001-199718号公報)に記載の方法で制御でき、酸化第一銅粒子の平均粒子径は以下のような酸化第一銅粒子の製造方法における還元温度の調整によって制御することができる。 The average particle size of the metal oxide particles can be controlled by adjusting the manufacturing conditions of the metal oxide particles. For example, the average particle size of silver oxide particles can be controlled by the method described in the patent documents (e.g., JP 2003-308730 A), the average particle size of aluminum oxide particles can be controlled by the method described in the patent documents (e.g., JP 2001-199718 A), and the average particle size of cuprous oxide particles can be controlled by adjusting the reduction temperature in the manufacturing method of cuprous oxide particles as follows.
一態様において、酸化第一銅粒子は、水溶液に溶解した銅塩をヒドラジンで還元する方法によって製造できる。銅塩としては、二価の銅塩を好適に用いることができ、その例として、例えば、酢酸銅(II)、硝酸銅(II)、炭酸銅(II)、塩化銅(II)、硫酸銅(II)等を挙げることができる。ヒドラジンの使用量は、銅塩1モルに対して、0.2モル~2モルとすることが好ましく、0.25モル~1.5モルとすることがより好ましい。 In one embodiment, the cuprous oxide particles can be produced by a method of reducing a copper salt dissolved in an aqueous solution with hydrazine. As the copper salt, a divalent copper salt can be suitably used, and examples thereof include copper(II) acetate, copper(II) nitrate, copper(II) carbonate, copper(II) chloride, and copper(II) sulfate. The amount of hydrazine used is preferably 0.2 to 2 moles, and more preferably 0.25 to 1.5 moles, per mole of copper salt.
銅塩を溶解した水溶液には、水溶性有機物を添加してもよい。該水溶液に水溶性有機物を添加することによって該水溶液の融点が下がるので、より低温における還元が可能となる。水溶性有機物としては、例えば、アルコール、水溶性高分子等を用いることができる。 A water-soluble organic substance may be added to the aqueous solution in which the copper salt is dissolved. By adding a water-soluble organic substance to the aqueous solution, the melting point of the aqueous solution is lowered, making it possible to carry out reduction at a lower temperature. Examples of water-soluble organic substances that can be used include alcohols and water-soluble polymers.
アルコールとしては、例えば、
メタノール、エタノール、n-プロパノール、i-プロパノール、n-ブタノール、i-ブタノール、sec-ブタノール、t-ブタノール、n-ペンタノール、i-ペンタノール、sec-ペンタノール、t-ペンタノール、2-メチルブタノール、2-エチルブタノール、3-メトキシブタノール、n-ヘキサノール、sec-ヘキサノール、2-メチルペンタノール、sec-ヘプタノール、3-ヘプタノール、n-オクタノール、sec-オクタノール、2-エチルヘキサノール、n-ノニルアルコール、2,6-ジメチル-4-ヘプタノール、n-デカノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、3,3,5-トリメチルシクロヘキサノール、フェノール、ベンジルアルコール、ジアセトンアルコール等の1価アルコール;
エチレングリコール、1,2-プロピレングリコール、1,3-ブチレングリコール、2-ペンタンジオール、2-メチルペンタン-2,4-ジオール、2,5-ヘキサンジオール、2,4-ヘプタンジオール、2-エチルヘキサン-1,3-ジオール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、トリエチレングリコール、トリ1,2-プロピレングリコール等のグリコール、グリセリン等の3価アルコール、等の多価アルコール;
エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールターシャリーブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールエーテル;
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のグリコールエステル;
等が挙げられる。
水溶性高分子としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール-ポリプロピレングリコール共重合体等を用いることができる。
Examples of alcohol include:
Monohydric alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, n-butanol, i-butanol, sec-butanol, t-butanol, n-pentanol, i-pentanol, sec-pentanol, t-pentanol, 2-methylbutanol, 2-ethylbutanol, 3-methoxybutanol, n-hexanol, sec-hexanol, 2-methylpentanol, sec-heptanol, 3-heptanol, n-octanol, sec-octanol, 2-ethylhexanol, n-nonyl alcohol, 2,6-dimethyl-4-heptanol, n-decanol, cyclohexanol, methylcyclohexanol, 3,3,5-trimethylcyclohexanol, phenol, benzyl alcohol, and diacetone alcohol;
Glycols such as ethylene glycol, 1,2-propylene glycol, 1,3-butylene glycol, 2-pentanediol, 2-methylpentane-2,4-diol, 2,5-hexanediol, 2,4-heptanediol, 2-ethylhexane-1,3-diol, diethylene glycol, dipropylene glycol, hexanediol, octanediol, triethylene glycol, and tri-1,2-propylene glycol; polyhydric alcohols such as glycerin;
Glycol ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, propylene glycol tertiary butyl ether, and dipropylene glycol monomethyl ether;
Glycol esters such as propylene glycol monomethyl ether acetate;
etc.
As the water-soluble polymer, for example, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene glycol-polypropylene glycol copolymer, etc. can be used.
還元時の温度は、例えば-20℃~60℃とすることができ、-10℃~30℃とすることが好ましい。この還元温度を調整することで、平均粒径を所望の範囲に調整してよい。還元温度は、反応中一定でもよいし、途中で昇温又は降温してもよい。ヒドラジンの活性が高い反応初期は、10℃以下で還元することが好ましく、0℃以下で還元することがより好ましい。還元時間は、30分~300分とすることが好ましく、90分~200分とすることがより好ましい。還元の際の雰囲気は、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気であることが好ましい。 The temperature during reduction can be, for example, -20°C to 60°C, and is preferably -10°C to 30°C. The average particle size can be adjusted to a desired range by adjusting the reduction temperature. The reduction temperature may be constant during the reaction, or may be increased or decreased during the reaction. In the early stages of the reaction when the activity of hydrazine is high, reduction is preferably performed at 10°C or less, and more preferably at 0°C or less. The reduction time is preferably 30 to 300 minutes, and more preferably 90 to 200 minutes. The atmosphere during reduction is preferably an inert atmosphere such as nitrogen or argon.
次いで、反応液を上澄みと沈殿物とに遠心分離し、酸化銅粒子を沈殿物として回収する。 The reaction solution is then centrifuged to separate the supernatant and precipitate, and the copper oxide particles are collected as the precipitate.
金属酸化物粒子の粒子径の多分散指数は、一態様において、10%以上40%以下である。粒子径の多分散指数が高いことは粒子径のばらつきが大きいことを意味する。このような粒子は、石垣効果により密にパッキングされ易く、誘電体中の空隙の低減、及びこれによる誘電体の均質化に寄与するため、低誘電率(一態様において、比誘電率1.5以上)から高誘電率(一態様において、比誘電率10000以下)までの広範な範囲から選択された所望の誘電率を有する誘電体を簡便且つ安定的に得る観点で有利である。上記多分散指数は、誘電体の空隙低減、及びこれによる誘電率の精密な制御の観点から、一態様において、好ましくは、10%以上、又は11%以上、又は13%以上、又は15%以上である。粒子の局在により不均一な誘電体となることを回避する観点から、粒子の多分散指数は、一態様において、好ましくは、40%以下、又は35%以下、又は30%以下、又は25%以下である。
本開示で、多分散指数は、キュムラント法で測定される粒子径から求められる値である。
In one embodiment, the polydispersity index of the particle diameter of the metal oxide particles is 10% or more and 40% or less. A high polydispersity index of the particle diameter means a large variation in particle diameter. Such particles are easily packed densely due to the stone wall effect, and contribute to reducing voids in the dielectric and thereby homogenizing the dielectric, so that it is advantageous in terms of easily and stably obtaining a dielectric having a desired dielectric constant selected from a wide range from a low dielectric constant (in one embodiment, a relative dielectric constant of 1.5 or more) to a high dielectric constant (in one embodiment, a relative dielectric constant of 10,000 or less). In one embodiment, the polydispersity index is preferably 10% or more, or 11% or more, or 13% or more, or 15% or more, from the viewpoint of reducing voids in the dielectric and thereby precisely controlling the dielectric constant. In one embodiment, the polydispersity index of the particles is preferably 40% or less, or 35% or less, or 30% or less, or 25% or less, from the viewpoint of avoiding a non-uniform dielectric due to localization of the particles.
In the present disclosure, the polydispersity index is a value determined from the particle size measured by the cumulant method.
粒子の多分散指数を上記範囲に制御する方法としては、所望の平均粒子径の値を設定し、当該値よりも小さい粒子径を有する粒子(A)と当該値よりも大きい粒子径を有する粒子(B)とを混合し、その際、粒子(A)及び粒子(B)の各々の粒子径と、粒子(A)/粒子(B)の混合比とを調整する方法等が挙げられる。 Methods for controlling the polydispersity index of particles within the above range include setting a desired average particle size value, mixing particles (A) having a particle size smaller than that value with particles (B) having a particle size larger than that value, and adjusting the particle sizes of particles (A) and (B) and the mixing ratio of particles (A)/particles (B).
誘電体中の金属酸化物粒子の質量比率は、好ましくは、20質量%以上、95質量%以下である。金属酸化物粒子の平均粒子径を変えることによって誘電体の誘電率を所望範囲に容易に調整する観点、およびエネルギー照射によって有機成分を分解し金属パターンとして電磁波と相互作用できるという観点から、金属酸化物粒子の質量比率は、好ましくは、20質量%以上、又は25質量%以上、又は30質量%以上、又は35質量%以上、又は40質量%以上、又は45質量%以上、又は50質量%以上である。誘電体の機械強度は、主に、誘電体中の不揮発性有機物がバインダーとして機能することによって発現される。金属酸化物粒子の質量比率は、不揮発性有機物を誘電体中に所望量存在させて良好な機械強度を容易に得る観点から、好ましくは、95質量%以下、又は90質量%以下、又は85質量%以下、又は80質量%以下、又は75質量%以下である。 The mass ratio of the metal oxide particles in the dielectric is preferably 20% by mass or more and 95% by mass or less. From the viewpoint of easily adjusting the dielectric constant of the dielectric to a desired range by changing the average particle size of the metal oxide particles, and from the viewpoint of decomposing the organic components by energy irradiation and interacting with electromagnetic waves as a metal pattern, the mass ratio of the metal oxide particles is preferably 20% by mass or more, or 25% by mass or more, or 30% by mass or more, or 35% by mass or more, or 40% by mass or more, or 45% by mass or more, or 50% by mass or more. The mechanical strength of the dielectric is mainly expressed by the non-volatile organic matter in the dielectric functioning as a binder. From the viewpoint of easily obtaining good mechanical strength by having a desired amount of non-volatile organic matter present in the dielectric, the mass ratio of the metal oxide particles is preferably 95% by mass or less, or 90% by mass or less, or 85% by mass or less, or 80% by mass or less, or 75% by mass or less.
[不揮発性有機物]
本開示で、不揮発性有機物とは、沸点を有さないか、沸点が300℃以上である化合物を意味する。本開示で、沸点は、示差走査熱量計(DSC)又は示差熱分析(DTA)で測定される値である。不揮発性有機物は、一態様において、基材上に塗布厚0.1mmで塗布し、空気中、常圧、100℃にて30分間乾燥させたときに基材上に残存する有機物である。不揮発性有機物は単一化合物であっても複数化合物の混合物であってもよい。不揮発性有機物は、一態様においてポリマーである。
[Non-volatile organic substances]
In the present disclosure, a non-volatile organic substance means a compound that does not have a boiling point or has a boiling point of 300° C. or higher. In the present disclosure, the boiling point is a value measured by a differential scanning calorimeter (DSC) or a differential thermal analysis (DTA). In one embodiment, a non-volatile organic substance is an organic substance that remains on a substrate when the non-volatile organic substance is applied to a substrate with a coating thickness of 0.1 mm and dried in air at normal pressure at 100° C. for 30 minutes. The non-volatile organic substance may be a single compound or a mixture of multiple compounds. In one embodiment, the non-volatile organic substance is a polymer.
不揮発性有機物は、金属酸化物粒子と相互作用して安定化できる構造を有することが好ましい。そのような構造としては、塩基性基(例えば、アミノ基、アンモニウム基、アミドアミノ基等)、水素結合形成性基(例えば、ヒドロキシ基、チオール基、オキシエチレン基、アミド基、エステル基、アルデヒド基等)、配位結合形成性基(例えば、シアノ基、アゾ基、ニトロ基等)、酸性基(例えば、カルボキシ基、フェノール性水酸基、スルホ基)等が挙げられる。不揮発性有機物のより具体的な例としては、
長鎖ポリアミノアマイドと極性酸エステルの塩、不飽和ポリカルボン酸ポリアミノアマイド、ポリアミノアマイドのポリカルボン酸塩、長鎖ポリアミノアマイドと酸ポリマーの塩等の、塩基性基を有するポリマー、
ポリエチレングリコール、アルコキシポリエチレングリコール等の、ポリオキシエチレン鎖を有するポリマー、
アクリル系ポリマー(単独重合体又は共重合体)、変性ポリエステル酸、ポリエーテルエステル酸、ポリエーテル系カルボン酸、ポリカルボン酸等のポリマーの、アルキルアンモニウム塩、アミン塩、又はアミドアミン塩、
シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルサッカロース等の、シアノ基を有する化合物、
等が挙げられる。誘電体の誘電率を所望に応じて変化させやすいという観点から、不揮発性有機物は、好ましくは:ポリアミノアマイドのポリカルボン酸塩;ポリカルボン酸等のポリマーのアルキルアンモニウム塩、アミン塩又はアミドアミン塩;シアノ基を有する化合物、ポリオキシエチレン鎖を有するポリマー、等であり、より好ましくはシアノ基を有する化合物である。
The non-volatile organic material preferably has a structure capable of stabilizing the metal oxide particles by interacting with them. Examples of such structures include basic groups (e.g., amino groups, ammonium groups, amidoamino groups, etc.), hydrogen bond forming groups (e.g., hydroxyl groups, thiol groups, oxyethylene groups, amide groups, ester groups, aldehyde groups, etc.), coordinate bond forming groups (e.g., cyano groups, azo groups, nitro groups, etc.), acidic groups (e.g., carboxy groups, phenolic hydroxyl groups, sulfo groups), etc. More specific examples of non-volatile organic materials include:
Polymers having basic groups, such as salts of long-chain polyaminoamides and polar acid esters, unsaturated polycarboxylic acid polyaminoamides, polycarboxylates of polyaminoamides, and salts of long-chain polyaminoamides and acid polymers;
Polymers having a polyoxyethylene chain, such as polyethylene glycol and alkoxypolyethylene glycol;
Alkylammonium salts, amine salts, or amidoamine salts of polymers such as acrylic polymers (homopolymers or copolymers), modified polyester acids, polyether ester acids, polyether carboxylic acids, and polycarboxylic acids;
Compounds having a cyano group, such as cyanoethyl pullulan, cyanoethyl polyvinyl alcohol, and cyanoethyl saccharose;
From the viewpoint of easily changing the dielectric constant of the dielectric as desired, the non-volatile organic substance is preferably a polycarboxylate of a polyaminoamide, an alkylammonium salt, an amine salt or an amidoamine salt of a polymer such as a polycarboxylate, a compound having a cyano group, a polymer having a polyoxyethylene chain, or the like, more preferably a compound having a cyano group.
不揮発性有機物は市販品であってもよい。市販品としては、例えば、DISPERBYK(登録商標、以下同様。)-101、DISPERBYK-102、DISPERBYK-110、DISPERBYK-111、DISPERBYK-112、DISPERBYK-118、DISPERBYK-130、DISPERBYK-140、DISPERBYK-142、DISPERBYK-145、DISPERBYK-160、DISPERBYK-161、DISPERBYK-162、DISPERBYK-163、DISPERBYK-2155、DISPERBYK-2163、DISPERBYK-2164、DISPERBYK-180、DISPERBYK-2000、DISPERBYK-2025、DISPERBYK-2163、DISPERBYK-2164、BYK-9076、BYK-9077、TERRA-204、TERRA-U(以上、ビックケミー社製)、フローレンDOPA-15B、フローレンDOPA-15BHFS、フローレンDOPA-22、フローレンDOPA-33、フローレンDOPA-44、フローレンDOPA-17HF、フローレンTG-662C、フローレンKTG-2400(以上、共栄社化学社製)、ED-117、ED-118、ED-212、ED-213、ED-214、ED-216、ED-350、ED-360(以上、楠本化成社製)、プライサーフM208F、プライサーフDBS(以上、第一工業製薬製)、CR-S、CR-M、CR-V、CR-U(以上、信越化学工業社製)、Uイミドワニス(ユニチカ社製)等を挙げることができる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 The non-volatile organic material may be a commercially available product. Examples of commercially available products include DISPERBYK (registered trademark, the same applies below)-101, DISPERBYK-102, DISPERBYK-110, DISPERBYK-111, DISPERBYK-112, DISPERBYK-118, DISPERBYK-130, DISPERBYK-140, DISPERBYK-142, DISPERBYK-145, DISPERBYK-146, DISPERBYK-147, DISPERBYK-148, DISPERBYK-149, DISPERBYK-150, DISPERBYK-151, DISPERBYK-152, DISPERBYK-153, DISPERBYK-154, DISPERBYK-155, DISPERBYK-156, DISPERBYK-157, DISPERBYK-158, DISPERBYK-159, DISPERBYK-160, DISPERBYK-161, DISPERBYK-162, DISPERBYK-163, DISPERBYK-164, DISPERBYK-165, DISPERBYK-166, DISPERBYK-167, DISPERBYK-168, DISPERBYK-169, DISPERBYK-170, DISPERBYK-172, DISPERBYK-175, DISPERBYK-175, DISPERBYK-176, DISPERBYK-177, DISPERBYK-178, DISPERBYK-179, DISPERBYK-180, DISPERBYK-182, DISPERBYK-185, DISPERBYK-185, DISPERBYK-185, DISPERBYK-185, DIS ERBYK-160, DISPERBYK-161, DISPERBYK-162, DISPERBYK-163, DISPERBYK-2155, DISPERBYK-2163, DI SPERBYK-2164, DISPERBYK-180, DISPERBYK-2000, DISPERBYK-2025, DISPERBYK-2163, DISPERBYK-21 64, BYK-9076, BYK-9077, TERRA-204, TERRA-U (all manufactured by BYK-Chemie), FLOREN DOPA-15B, FLOREN DOPA-15BHFS, FLOREN DOPA-22, FLOREN DOPA-33, FLOREN DOPA-44, FLOREN DOPA-17HF, FLOREN TG-662C, FLOREN KTG-2400 (all manufactured by BYK-Chemie), Examples of such materials include Eisha Chemical Co., Ltd.), ED-117, ED-118, ED-212, ED-213, ED-214, ED-216, ED-350, ED-360 (all manufactured by Kusumoto Chemical Co., Ltd.), Plysurf M208F, Plysurf DBS (all manufactured by Dai-ichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), CR-S, CR-M, CR-V, CR-U (all manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), and U Imide Varnish (manufactured by Unitika Ltd.). These may be used alone or in combination.
不揮発性有機物の比誘電率は、誘電体の誘電率を大きくできるという観点から、好ましくは、2以上、又は2.5以上、又は3以上であり、例えば電磁波制御用途において電磁波のエネルギー損失を低減する観点から、好ましくは、30以下、又は25以下、又は20以下である。 The relative dielectric constant of the non-volatile organic material is preferably 2 or more, or 2.5 or more, or 3 or more, from the viewpoint of being able to increase the dielectric constant of the dielectric, and is preferably 30 or less, or 25 or less, or 20 or less, from the viewpoint of reducing the energy loss of electromagnetic waves, for example, in electromagnetic wave control applications.
不揮発性有機物の比誘電率は、分子内に高極性の官能基(例えば、アミノ基、ヒドロキシ基、チオール基、シアノ基、ニトロ基、カルボキシ基、フェノール性水酸基、スルホ基等)を有する場合に高く、分子内に高極性の官能基を有さない場合に低い傾向がある。不揮発性有機物は、誘電体の所望の誘電率に応じて選択してよい。なお上記比誘電率は、2種以上の不揮発性有機物が使用される場合には各々の不揮発性有機物の値を意味する。 The dielectric constant of a non-volatile organic material tends to be high when it has a highly polar functional group in the molecule (e.g., amino group, hydroxy group, thiol group, cyano group, nitro group, carboxy group, phenolic hydroxyl group, sulfo group, etc.), and tends to be low when it does not have a highly polar functional group in the molecule. The non-volatile organic material may be selected according to the desired dielectric constant of the dielectric. Note that when two or more types of non-volatile organic materials are used, the above dielectric constant refers to the value of each non-volatile organic material.
比較的高誘電率(例えば、比誘電率6以上)の誘電体に適した不揮発性有機物としては、比誘電率10~30の化合物、例えば、シアノエチルプルラン(比誘電率18)、シアノエチルポリビニルアルコール(比誘電率15)、シアノエチルサッカロース(比誘電率24)等が挙げられる。
比較的低誘電率(例えば、比誘電率4未満)の誘電体に適した不揮発性有機物としては、比誘電率4以下の化合物、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(比誘電率2.1)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(比誘電率2.1)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(比誘電率2.1)等が挙げられる。
Non-volatile organic substances suitable for dielectrics with a relatively high dielectric constant (e.g., a dielectric constant of 6 or more) include compounds with a dielectric constant of 10 to 30, such as cyanoethyl pullulan (dielectric constant 18), cyanoethyl polyvinyl alcohol (dielectric constant 15), and cyanoethyl sucrose (dielectric constant 24).
Non-volatile organic substances suitable for dielectrics with a relatively low dielectric constant (e.g., a dielectric constant of less than 4) include compounds with a dielectric constant of 4 or less, such as polytetrafluoroethylene (dielectric constant 2.1), tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer (dielectric constant 2.1), and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (dielectric constant 2.1).
誘電体中の不揮発性有機物の質量比率は、好ましくは、5質量%以上、80質量%以下である。不揮発性有機物がバインダーとして働き、誘電体の機械強度に寄与するという観点から、不揮発性有機物の質量比率は、好ましくは、5質量%以上、又は10質量%以上、又は15質量%以上、又は20質量%以上、又は25質量%以上であり、金属酸化物粒子を所望に応じた量含有させる観点、及び、金属層と誘電体層とが積層される場合の層間密着性の観点から、不揮発性有機物の質量比率は、好ましくは、80質量%以下、又は75質量%以下、又は70質量%以下、又は65質量%以下、又は60質量%以下、又は55質量%以下、又は50質量%以下である。 The mass ratio of the nonvolatile organic matter in the dielectric is preferably 5% by mass or more and 80% by mass or less. From the viewpoint that the nonvolatile organic matter acts as a binder and contributes to the mechanical strength of the dielectric, the mass ratio of the nonvolatile organic matter is preferably 5% by mass or more, or 10% by mass or more, or 15% by mass or more, or 20% by mass or more, or 25% by mass or more. From the viewpoint of containing a desired amount of metal oxide particles and from the viewpoint of interlayer adhesion when a metal layer and a dielectric layer are laminated, the mass ratio of the nonvolatile organic matter is preferably 80% by mass or less, or 75% by mass or less, or 70% by mass or less, or 65% by mass or less, or 60% by mass or less, or 55% by mass or less, or 50% by mass or less.
[誘電体の形態]
誘電体は、典型的には、金属酸化物粒子と不揮発性有機物とからなるが、本発明の効果を損なわない範囲で追加の成分を含むことは排除されない。また、誘電体は、分散媒、例えば、水及び/又は揮発性有機物(すなわち、本開示の不揮発性有機物に包含されない有機物)と組合されてもよい。例えば、誘電体100質量部に対して分散媒を1質量部~75質量部添加してなる誘電体分散液を各種用途に用いてもよい。
[Mold of the dielectric]
The dielectric typically consists of metal oxide particles and a non-volatile organic material, but the inclusion of additional components is not excluded as long as the effects of the present invention are not impaired. The dielectric may also be combined with a dispersion medium, such as water and/or a volatile organic material (i.e., an organic material not included in the non-volatile organic material of the present disclosure). For example, a dielectric dispersion liquid obtained by adding 1 part by mass to 75 parts by mass of a dispersion medium to 100 parts by mass of the dielectric may be used for various applications.
[誘電体の比誘電率]
誘電体の比誘電率は、一態様において、1.5以上であってよく、一態様において、10000以下であってよい。本実施形態の誘電体は、広範な範囲から用途に応じて選択された誘電率を有することができる。例えば、電気配線の被覆材、半導体の被覆材、電子機器内の積層板の基材等の絶縁材においては、誘電損失を小さくするために低誘電率が求められることから、誘電体の比誘電率は、一態様において1.5~5であってよい。一方、例えばキャパシタにおいては、静電容量を大きくするために高誘電率が求められることから、誘電体の比誘電率は、一態様において3~10000であってよい。
[Dielectric constant of dielectric material]
The dielectric constant of the dielectric may be 1.5 or more in one embodiment, and may be 10,000 or less in one embodiment. The dielectric of the present embodiment may have a dielectric constant selected from a wide range depending on the application. For example, in insulating materials such as coating materials for electric wiring, coating materials for semiconductors, and substrates for laminates in electronic devices, a low dielectric constant is required to reduce dielectric loss, so the dielectric constant of the dielectric may be 1.5 to 5 in one embodiment. On the other hand, in capacitors, for example, a high dielectric constant is required to increase capacitance, so the dielectric constant of the dielectric may be 3 to 10,000 in one embodiment.
より具体的には、一態様において、絶縁材(例えば、電気配線の被覆材、半導体の被覆材、電子機器内の積層板の基材等)に適用される誘電体の比誘電率は、誘電体の製造容易性の観点から、好ましくは、1.5以上、又は2以上、又は2.5以上であり、誘電損失を小さくする観点から、好ましくは、5以下、又は4.5以下、又は4以下である。 More specifically, in one embodiment, the relative dielectric constant of the dielectric applied to the insulating material (e.g., the covering material for electrical wiring, the covering material for semiconductors, the substrate of a laminate in an electronic device, etc.) is preferably 1.5 or more, or 2 or more, or 2.5 or more from the viewpoint of ease of manufacturing the dielectric, and is preferably 5 or less, or 4.5 or less, or 4 or less from the viewpoint of reducing the dielectric loss.
一態様において、キャパシタの電極間材料に適用される誘電体の比誘電率は、静電容量を大きくする観点から、好ましくは、3以上、又は10以上、又は20以上、又は30以上、又は50以上、又は100以上であり、誘電体の製造容易性の観点から、好ましくは、10000以下、又は1000以下、又は500以下である。 In one aspect, the relative dielectric constant of the dielectric applied to the interelectrode material of the capacitor is preferably 3 or more, or 10 or more, or 20 or more, or 30 or more, or 50 or more, or 100 or more, from the viewpoint of increasing the capacitance, and is preferably 10,000 or less, or 1,000 or less, or 500 or less, from the viewpoint of ease of manufacturing the dielectric.
一態様において、電磁波制御素子用電磁波制御材に適用される誘電体の比誘電率は、例えば電磁波反射用途において反射波の所望の位相ずれを生じさせる観点から、好ましくは、2以上、又は2.5以上、又は3以上であり、電磁波のエネルギー損失を低減する観点から、好ましくは、100以下、又は50以下、又は30以下、又は20以下、又は10以下、又は5以下である。電磁波反射用途において、誘電体の誘電率が大きい場合、誘電体のサイズを僅かに変化させるのみで反射波の位相ずれを容易に変化させることができるため、広範囲の位相ずれを実現し易い。なお、位相ずれの評価には、公知の手法を用いてよい。具体的には、A. F. Oskooi et. al., “MEEP:A flexible free software package for electromagnetic simulations by the FDTD method”, Computer Physics Communications 181, 687-702 (2010) に記載されたソフトウェア、又は、これと同等の評価結果が得られる手法として、ANSYS社製HFSSを用いてよい。一態様において、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行ってよい。 In one embodiment, the relative permittivity of the dielectric applied to the electromagnetic wave control material for the electromagnetic wave control element is preferably 2 or more, or 2.5 or more, or 3 or more, from the viewpoint of generating a desired phase shift of the reflected wave in an electromagnetic wave reflection application, and is preferably 100 or less, or 50 or less, or 30 or less, or 20 or less, or 10 or less, or 5 or less, from the viewpoint of reducing the energy loss of the electromagnetic wave. In an electromagnetic wave reflection application, when the dielectric constant of the dielectric is large, the phase shift of the reflected wave can be easily changed by only slightly changing the size of the dielectric, so that a wide range of phase shift is easily realized. Note that a known method may be used to evaluate the phase shift. Specifically, the software described in A. F. Oskooi et. al., “MEEP: A flexible free software package for electromagnetic simulations by the FDTD method”, Computer Physics Communications 181, 687-702 (2010), or HFSS manufactured by ANSYS may be used as a method for obtaining an evaluation result equivalent thereto. In one embodiment, the phase of the reflected wave may be calculated when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz is incident at 0°.
好ましい一態様においては、金属酸化物粒子の比誘電率が5~20、不揮発性有機物の比誘電率が2~20、且つ誘電体の比誘電率が3~20であってよい。 In a preferred embodiment, the metal oxide particles may have a relative dielectric constant of 5 to 20, the non-volatile organic material may have a relative dielectric constant of 2 to 20, and the dielectric may have a relative dielectric constant of 3 to 20.
本実施形態の誘電体は、金属酸化物粒子の粒子径の多分散指数が所定範囲に制御されていることで、空隙が少ない誘電体として容易に製造され得るものである。したがって、本実施形態の誘電体によれば、平面上のみでなく例えば立体物の表面等の曲面上にも所望形状の均一な誘電体層を形成できるとともに、微細な誘電体パターンとしての形成も可能である。したがって、本実施形態の誘電体は、下記に例示される誘電部材及び電気部品等の広範な用途に好適に適用され得る。 The dielectric of this embodiment can be easily manufactured as a dielectric with few voids because the polydispersity index of the particle diameter of the metal oxide particles is controlled within a predetermined range. Therefore, with the dielectric of this embodiment, a uniform dielectric layer of a desired shape can be formed not only on a flat surface but also on a curved surface such as the surface of a three-dimensional object, and it is also possible to form a fine dielectric pattern. Therefore, the dielectric of this embodiment can be suitably applied to a wide range of applications such as the dielectric members and electrical components exemplified below.
<誘電部材及び電気部品>
本発明の一態様は、本実施形態の誘電体を含む、誘電部材及び電気部品を提供する。誘電体を含む誘電部材は、一態様において、電子機器用絶縁材、半導体素子用絶縁材、キャパシタ用電極間材料、又は電磁波制御素子用電磁波制御材である。より具体的には、誘電体は:電気配線の被覆材、半導体素子(すなわち、半導体で形成された電子回路の構成要素)における半導体の被覆材等の絶縁材;電子機器内の積層板の基材;キャパシタ(すなわち蓄放電を行う電子部品)の電極間材料;電磁波制御素子(すなわち、入射した電磁波に対して、指向性の付与、電磁波の吸収、電磁波から電気エネルギーへの変換等を行う素子、例えば、電磁波のレンズ、電磁波反射板、電磁波吸収板、アンテナ等)において、電磁波を屈折、異常反射又は吸収させる電磁波制御材;等として用いられてよい。本実施形態の誘電体は、一態様において、電磁波のエネルギー損失を抑える性能に優れることができる。このような誘電体は、電磁波反射素子等の電磁波制御素子に特に好適に適用される。一態様において、電気部品は、電気配線、半導体素子、キャパシタ、電磁波制御素子等であってよい。
以下、本実施形態の電気部品の例である電磁波制御素子の例示の態様について説明する。
Dielectric Members and Electrical Components
One aspect of the present invention provides a dielectric member and an electric part containing the dielectric of this embodiment. In one aspect, the dielectric member containing the dielectric is an insulating material for electronic devices, an insulating material for semiconductor elements, an interelectrode material for capacitors, or an electromagnetic wave control material for electromagnetic wave control elements. More specifically, the dielectric may be used as: an insulating material such as a covering material for electric wiring, a covering material for semiconductors in semiconductor elements (i.e., a component of an electronic circuit formed of semiconductors); a substrate for a laminate in an electronic device; an interelectrode material for a capacitor (i.e., an electronic component that stores and discharges); an electromagnetic wave control material that refracts, abnormally reflects, or absorbs electromagnetic waves in an electromagnetic wave control element (i.e., an element that provides directionality to incident electromagnetic waves, absorbs electromagnetic waves, converts electromagnetic waves into electrical energy, etc., such as an electromagnetic wave lens, an electromagnetic wave reflector, an electromagnetic wave absorbing plate, an antenna, etc.). In one aspect, the dielectric of this embodiment can be excellent in the performance of suppressing the energy loss of electromagnetic waves. Such a dielectric is particularly suitable for use in electromagnetic wave control elements such as electromagnetic wave reflecting elements. In one embodiment, the electrical component may be an electrical wiring, a semiconductor element, a capacitor, an electromagnetic wave control element, or the like.
An exemplary embodiment of an electromagnetic wave control element, which is an example of the electrical component of this embodiment, will be described below.
[電磁波制御素子]
本発明の一態様は、本実施形態の誘電体で構成された誘電体層と、金属層とを含む電磁波制御素子を提供する。一態様において、電磁波制御素子は、誘電体層の上に配置された金属パターンを更に含んでよい。
[Electromagnetic wave control element]
One aspect of the present invention provides an electromagnetic wave control element including a dielectric layer made of the dielectric of the present embodiment and a metal layer. In one aspect, the electromagnetic wave control element may further include a metal pattern disposed on the dielectric layer.
(金属層)
金属層が含む金属としては、例えば、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、コバルト、ニッケル、リチウム、白金、パラジウム、スズ、クロム、鉛、ハフニウム、ジルコニウム、ビスマス、マンガン、チタン、モリブデン、アンチモン、インジウム、ガリウム、カルシウム、ロジウム、イリジウム、ナトリウム、タングステン、ルテニウム、カリウム、カドミウム、オスミウム、ルビジウム、タンタル、ストロンチウム、トリウム、ニオブ、プロトアクチニウム、レニウム、バナジウム、バリウム、ヒ素、アンチモン、ルテチウム、イットリウム、ランタン、ネオジム、ツリウム、ホルミウム、ジスプロシウム及びゲルマニウムが挙げられる。導電率が高いことで電磁波に対して共振し易い点で、銀、銅、金、白金、アルミニウム、ニッケル、及び鉄が好ましく、銀、銅、金、白金、及びアルミニウムがより好ましく、銀、銅、及び金がさらに好ましい。
(Metal Layer)
Examples of metals contained in the metal layer include silver, copper, gold, aluminum, magnesium, zinc, cobalt, nickel, lithium, platinum, palladium, tin, chromium, lead, hafnium, zirconium, bismuth, manganese, titanium, molybdenum, antimony, indium, gallium, calcium, rhodium, iridium, sodium, tungsten, ruthenium, potassium, cadmium, osmium, rubidium, tantalum, strontium, thorium, niobium, protactinium, rhenium, vanadium, barium, arsenic, antimony, lutetium, yttrium, lanthanum, neodymium, thulium, holmium, dysprosium and germanium. Silver, copper, gold, platinum, aluminum, nickel and iron are preferred, silver, copper, gold, platinum and aluminum are more preferred, and silver, copper and gold are even more preferred, because they have high electrical conductivity and therefore easily resonate with electromagnetic waves.
金属層の形状は特に限定されず、平板、シート、立体物の表面上に延びる層状物等であってよい。金属層は、市販の金属板又は金属箔であってもよい。金属層の表面は、平面、曲面、段差を含む面等の任意の形状であってよく、いずれの表面上にも誘電体層を配置できる。本実施形態の誘電体は、空隙が少なく均一な構造を有する誘電体層を構成し得ることから、金属層の誘電体層形成面の形状に関わらず、高性能の電磁波制御素子を形成し得る。例えば、電磁波制御素子が電磁波反射素子である場合、金属層は、電磁波の入射面とは反対側の面に配置されてよい。 The shape of the metal layer is not particularly limited, and may be a flat plate, a sheet, a layer extending on the surface of a three-dimensional object, or the like. The metal layer may be a commercially available metal plate or metal foil. The surface of the metal layer may be any shape, such as a flat surface, a curved surface, or a surface including a step, and the dielectric layer may be disposed on any surface. The dielectric of this embodiment can form a dielectric layer having a uniform structure with few voids, and therefore can form a high-performance electromagnetic wave control element regardless of the shape of the dielectric layer formation surface of the metal layer. For example, when the electromagnetic wave control element is an electromagnetic wave reflection element, the metal layer may be disposed on the surface opposite to the electromagnetic wave incidence surface.
電磁波制御素子において、金属層の面積、より具体的には金属層の誘電体層と接している面の総面積は、電磁波制御素子から出射した電磁波(例えば、電磁波反射素子における反射波)が広い領域をカバーするようにする観点から、好ましくは、100mm2以上、又は500mm2以上、又は1000mm2以上、又は2500mm2以上、又は5000mm2以上、又は10000mm2以上であり、加工のしやすさの観点から、好ましくは、100m2以下、又は10m2以下、又は1m2以下、又は0.5m2以下、又は0.25m2以下である。本実施形態の誘電体は、大面積の誘電体層とされた場合でも均一な構造を有することができるため、上記範囲のような総面積を有する電磁波制御素子においても良好な電磁波制御性能を発現し得る。 In the electromagnetic wave control element, the area of the metal layer, more specifically, the total area of the surface of the metal layer in contact with the dielectric layer, is preferably 100 mm 2 or more, or 500 mm 2 or more, or 1000 mm 2 or more, or 2500 mm 2 or more, or 5000 mm 2 or more, or 10000 mm 2 or more, from the viewpoint of making the electromagnetic wave emitted from the electromagnetic wave control element (for example, the reflected wave in the electromagnetic wave reflection element) cover a wide area, and is preferably 100 m 2 or less, or 10 m 2 or less, or 1 m 2 or less, or 0.5 m 2 or less, or 0.25 m 2 or less, from the viewpoint of ease of processing. Since the dielectric of this embodiment can have a uniform structure even when it is made into a dielectric layer with a large area, good electromagnetic wave control performance can be exhibited even in an electromagnetic wave control element having a total area in the above range.
金属層の厚みは、層内で一定である必要はない。金属層中で最も薄い部分の厚みは、電磁波の損失を抑える観点から、好ましくは、1μm以上、又は5μm以上、又は10μm以上であり、加工のしやすさの観点から、好ましくは、1000μm以下、又は500μm以下、又は200μm以下、又は100μm以下、又は50μm以下である。 The thickness of the metal layer does not need to be constant within the layer. From the viewpoint of suppressing electromagnetic wave loss, the thickness of the thinnest part of the metal layer is preferably 1 μm or more, or 5 μm or more, or 10 μm or more, and from the viewpoint of ease of processing, it is preferably 1000 μm or less, or 500 μm or less, or 200 μm or less, or 100 μm or less, or 50 μm or less.
(誘電体層)
誘電体層は、金属層上に配置され、より具体的には、金属層が持つ面に少なくとも一部が接するように配置される。すなわち、金属層と誘電体層との間の空間には、例えば空気又は真空の層が存在していてもよい。一態様において、誘電体層は、金属層上に周期的に配置されている(すなわち、規則的に並んで繰返し構造を形成している)誘導体パターンの形態を有する。このような誘電体パターンによれば、パターンの形状及びサイズを適宜設計することで電磁波の位相ずれの程度を簡便に制御できるため、広い領域をカバーする電磁波を出射可能な電磁波制御素子を単純なプロセスで製造できる。
(Dielectric Layer)
The dielectric layer is disposed on the metal layer, more specifically, disposed so that at least a portion of the dielectric layer is in contact with the surface of the metal layer. That is, for example, an air or vacuum layer may be present in the space between the metal layer and the dielectric layer. In one embodiment, the dielectric layer has a form of a dielectric pattern that is periodically disposed on the metal layer (i.e., regularly arranged to form a repeating structure). With such a dielectric pattern, the degree of phase shift of the electromagnetic wave can be easily controlled by appropriately designing the shape and size of the pattern, so that an electromagnetic wave control element capable of emitting electromagnetic waves covering a wide area can be manufactured by a simple process.
誘電体パターンの形状は、矩形及びその他の多角形、円形、楕円形、リング形、スプリットリング形、多重スプリットリング形等、所望に応じて適宜選択してよい。誘電体層においてこれら形状の凹みが規則的に配置されることで誘電体パターンが形成されてもよい。誘導体パターンのサイズは、所望の位相ずれの程度に応じて適宜設計されてよい。例えば、矩形の場合、誘電体パターンの短径は、一態様において、入射電磁波の波長に対して、所望の位相ずれを容易に実現する観点から、好ましくは、0.02倍以上、又は0.03倍以上、又は0.05倍以上であり、上記観点から、好ましくは、1倍以下、又は0.7倍以下、又は0.5倍以下であり得る。本実施形態の誘電体は、微細サイズの誘電体パターンとされた場合にも空隙が少なく均一な誘電体層を形成できるため、電磁波の波長よりも微細な誘電体パターンを所望の形状にて二次元配置することにより、メタサーフェスとして機能させることができる。したがって、誘電体パターンの形状は、所謂メタサーフェスとして機能し得ることが当業者に理解される任意の形状であってよい。 The shape of the dielectric pattern may be appropriately selected as desired from rectangles and other polygons, circles, ellipses, rings, split rings, multiple split rings, and the like. The dielectric pattern may be formed by regularly arranging recesses of these shapes in the dielectric layer. The size of the dielectric pattern may be appropriately designed according to the degree of the desired phase shift. For example, in the case of a rectangle, the minor axis of the dielectric pattern is preferably 0.02 times or more, or 0.03 times or more, or 0.05 times or more, in one aspect, from the viewpoint of easily realizing the desired phase shift with respect to the wavelength of the incident electromagnetic wave, and from the above viewpoint, it may be preferably 1 time or less, or 0.7 times or less, or 0.5 times or less. Since the dielectric of this embodiment can form a uniform dielectric layer with few voids even when it is made into a fine-sized dielectric pattern, it can function as a metasurface by two-dimensionally arranging a dielectric pattern finer than the wavelength of the electromagnetic wave in a desired shape. Therefore, the shape of the dielectric pattern may be any shape that is understood by a person skilled in the art to function as a so-called metasurface.
誘電体パターンは、電磁波制御素子から出射される電磁波(例えば、電磁波反射素子の場合には反射波)の位相ずれに勾配を生じさせる目的で周期的に配置されてもよい。この場合のパターン周期は、電磁波反射素子に入射する電磁波の周波数に対応する波長に対して、好ましくは、1.06倍以上、又は1.15倍以上、又は1.74倍以上であり、好ましくは、20倍以下、又は12倍以下、又は6倍以下である。 The dielectric pattern may be arranged periodically for the purpose of generating a gradient in the phase shift of the electromagnetic wave emitted from the electromagnetic wave control element (e.g., the reflected wave in the case of an electromagnetic wave reflecting element). In this case, the pattern period is preferably 1.06 times or more, or 1.15 times or more, or 1.74 times or more, and preferably 20 times or less, or 12 times or less, or 6 times or less, relative to the wavelength corresponding to the frequency of the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave reflecting element.
誘電体パターンの外周を囲った四方の面積は、電磁波制御素子から出射した電磁波(例えば、電磁波反射素子における反射波)が広い領域をカバーするようにする観点から、好ましくは、95mm2以上、又は475mm2以上、又は950mm2以上、又は2375mm2以上、又は4750mm2以上、又は9500mm2以上であり、加工のしやすさの観点から、好ましくは、95m2以下、又は9.5m2以下、又は0.95m2以下、又は0.4750m2以下、又は0.2375m2以下である。なお、誘電体パターンの外周を囲った四方とは、単位周期内の全誘電体パターンを含む最小面積の矩形を意味する。当該面積は光学顕微鏡による測長で求めることができる。例えば、外周を囲った領域の縦及び横の長さを測長し、当該縦の長さと当該横の長さとを掛けることで求めてよい。 The area of the four sides surrounding the periphery of the dielectric pattern is preferably 95 mm 2 or more, or 475 mm 2 or more, or 950 mm 2 or more, or 2375 mm 2 or more, or 4750 mm 2 or more, or 9500 mm 2 or more, from the viewpoint of making the electromagnetic wave emitted from the electromagnetic wave control element (for example, the reflected wave in the electromagnetic wave reflection element) cover a wide area, and is preferably 95 m 2 or less, or 9.5 m 2 or less, or 0.95 m 2 or less, or 0.4750 m 2 or less, or 0.2375 m 2 or less, from the viewpoint of ease of processing. The four sides surrounding the periphery of the dielectric pattern means a rectangle with the smallest area including all the dielectric patterns in the unit period. The area can be obtained by measuring the length with an optical microscope. For example, the area may be obtained by measuring the vertical and horizontal lengths of the region surrounding the periphery and multiplying the vertical length by the horizontal length.
誘導体層の厚みは、所望の位相ずれを容易に実現する観点から、好ましくは、75nm以上、又は1μm以上、又は3μm以上、又は10μm以上であり、同様の観点から、好ましくは、43mm以下、又は20mm以下、又は8mm以下である。 From the viewpoint of easily achieving the desired phase shift, the thickness of the derivative layer is preferably 75 nm or more, or 1 μm or more, or 3 μm or more, or 10 μm or more, and from the same viewpoint, it is preferably 43 mm or less, or 20 mm or less, or 8 mm or less.
(金属パターン)
金属パターンは、誘電体層に接する位置に配置されてよく、金属パターンと金属層との間に誘電体層が存在することで金属パターンと金属層とが接しない構造となる。金属パターンは必ずしも誘電体層の表面に配置される必要はなく、誘電体層内部に配置(一態様において埋め込み)されてもよい。
(Metal pattern)
The metal pattern may be disposed at a position in contact with the dielectric layer, and the presence of the dielectric layer between the metal pattern and the metal layer results in a structure in which the metal pattern and the metal layer are not in contact with each other. The metal pattern does not necessarily have to be disposed on the surface of the dielectric layer, and may be disposed inside the dielectric layer (embedded in one embodiment).
金属パターンの形状は特に限定されず、例えば多面体であってよい。金属パターンの表面は、平面でも曲面でもよい。また、金属パターンは内部に空洞を有してもよい。金属パターンは、一態様においてメタアトムとして機能し得る。この場合の金属パターンのサイズは、電磁波制御素子に入射される電磁波の波長に応じて適宜設計され得る。入射電磁波は、ミリ波からテラヘルツ波であってよく、その波長は例えば11mm~100μmの範囲であってよい。各金属パターンの誘電体層と接している面の面積の平方根の値は、入射電磁波によって効率的に表面プラズモンを励起させる観点から、入射電磁波の波長に対して、好ましくは、0.02倍以上、又は0.03倍以上、又は0.05倍以上であり、上記観点から、好ましくは、1倍以下、又は0.7倍以下、又は0.5倍以下である。 The shape of the metal pattern is not particularly limited, and may be, for example, a polyhedron. The surface of the metal pattern may be flat or curved. The metal pattern may have a cavity inside. In one embodiment, the metal pattern may function as a meta-atom. In this case, the size of the metal pattern may be appropriately designed according to the wavelength of the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave control element. The incident electromagnetic wave may be a millimeter wave to a terahertz wave, and the wavelength may be, for example, in the range of 11 mm to 100 μm. The value of the square root of the area of the surface of each metal pattern in contact with the dielectric layer is preferably 0.02 times or more, or 0.03 times or more, or 0.05 times or more, relative to the wavelength of the incident electromagnetic wave, from the viewpoint of efficiently exciting surface plasmons by the incident electromagnetic wave, and from the above viewpoint, is preferably 1 time or less, or 0.7 times or less, or 0.5 times or less.
金属パターンは、電磁波制御素子から出射される電磁波(例えば、電磁波反射素子の場合には反射波)の位相ずれに勾配を生じさせる目的で周期的に配置されてもよい。この場合のパターン周期は、電磁波反射素子に入射する電磁波の周波数に対応する波長に対して、好ましくは、1.06倍以上、又は1.15倍以上、又は1.74倍以上であり、好ましくは、20倍以下、又は12倍以下、又は6倍以下である。本実施形態の電磁波反射素子によれば、金属パターンのサイズ及び周期を調整することで、所望周波数の反射波の反射方向を簡便に設計できるため、所望の方向に電磁波を異常反射(すなわち、鏡面反射と異なる方向に反射)させることが可能な電磁波反射素子を単純なプロセスにて製造できる。 The metal pattern may be arranged periodically for the purpose of generating a gradient in the phase shift of the electromagnetic wave emitted from the electromagnetic wave control element (for example, the reflected wave in the case of an electromagnetic wave reflecting element). In this case, the pattern period is preferably 1.06 times or more, or 1.15 times or more, or 1.74 times or more, and preferably 20 times or less, or 12 times or less, or 6 times or less, relative to the wavelength corresponding to the frequency of the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave reflecting element. According to the electromagnetic wave reflecting element of this embodiment, the reflection direction of the reflected wave of the desired frequency can be easily designed by adjusting the size and period of the metal pattern, so that an electromagnetic wave reflecting element capable of abnormally reflecting the electromagnetic wave in the desired direction (i.e., reflecting in a direction different from the specular reflection) can be manufactured by a simple process.
金属パターンの外周を囲った四方の面積は、電磁波制御素子から出射した電磁波(例えば、電磁波反射素子における反射波)が広い領域をカバーするようにする観点から、好ましくは、95mm2以上、又は475mm2以上、又は950mm2以上、又は2375mm2以上、又は4750mm2以上、又は9500mm2以上であり、加工のしやすさの観点から、好ましくは、95m2以下、又は9.5m2以下、又は0.95m2以下、又は0.4750m2以下、又は0.2375m2以下である。なお、金属パターンの外周を囲った四方とは、単位周期内の全金属パターンを含む最小面積の矩形を意味する。上記面積は、誘電体パターンの面積と同様の手法で測定できる。 The area of the four sides surrounding the periphery of the metal pattern is preferably 95 mm 2 or more, or 475 mm 2 or more, or 950 mm 2 or more, or 2375 mm 2 or more, or 4750 mm 2 or more, or 9500 mm 2 or more, from the viewpoint of making the electromagnetic wave emitted from the electromagnetic wave control element (for example, the reflected wave in the electromagnetic wave reflecting element) cover a wide area, and is preferably 95 m 2 or less, or 9.5 m 2 or less, or 0.95 m 2 or less, or 0.4750 m 2 or less, or 0.2375 m 2 or less, from the viewpoint of ease of processing. The four sides surrounding the periphery of the metal pattern means a rectangle with the smallest area including all the metal patterns in the unit period. The above area can be measured by the same method as the area of the dielectric pattern.
金属パターンの体積抵抗率は、金属パターンの形成容易性の観点から、好ましくは2×10-8Ω・m以上であり、電磁波制御素子に入射される電磁波のエネルギーが熱エネルギーに変換されて減衰することを抑制する観点から、好ましくは、1×10-3Ω・m以下、又は1×10-4Ω・m以下、又は1×10-5Ω・m以下、又は1×10-6Ω・m以下である。 The volume resistivity of the metal pattern is preferably 2×10 −8 Ω·m or more from the viewpoint of ease of forming the metal pattern, and is preferably 1×10 −3 Ω·m or less, or 1×10 −4 Ω·m or less, or 1×10 −5 Ω·m or less, or 1×10 −6 Ω·m or less from the viewpoint of suppressing attenuation of the energy of the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave control element due to conversion to thermal energy.
金属パターンを構成する金属元素は特に限定されるものではないが、例えば、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、コバルト、ニッケル、リチウム、白金、パラジウム、スズ、クロム、鉛、ハフニウム、ジルコニウム、ビスマス、マンガン、チタン、モリブデン、アンチモン、インジウム、ガリウム、カルシウム、ロジウム、イリジウム、ナトリウム、タングステン、ルテニウム、カリウム、カドミウム、オスミウム、ルビジウム、タンタル、ストロンチウム、トリウム、ニオブ、プロトアクチニウム、レニウム、バナジウム、バリウム、ヒ素、アンチモン、ルテチウム、イットリウム、ランタン、ネオジム、ツリウム、ホルミウム、ジスプロシウム及びゲルマニウム等が挙げられる。電磁波によって励起される表面プラズモンを減衰させにくいという観点から、銀、銅、金、白金、アルミニウム、ニッケル、及び鉄が好ましく、銀、銅、金、白金、及びアルミニウムがより好ましく、銀、銅、及び金がさらに好ましい。 The metal elements constituting the metal pattern are not particularly limited, but examples thereof include silver, copper, gold, aluminum, magnesium, zinc, cobalt, nickel, lithium, platinum, palladium, tin, chromium, lead, hafnium, zirconium, bismuth, manganese, titanium, molybdenum, antimony, indium, gallium, calcium, rhodium, iridium, sodium, tungsten, ruthenium, potassium, cadmium, osmium, rubidium, tantalum, strontium, thorium, niobium, protactinium, rhenium, vanadium, barium, arsenic, antimony, lutetium, yttrium, lanthanum, neodymium, thulium, holmium, dysprosium, and germanium. From the viewpoint of being less likely to attenuate surface plasmons excited by electromagnetic waves, silver, copper, gold, platinum, aluminum, nickel, and iron are preferred, silver, copper, gold, platinum, and aluminum are more preferred, and silver, copper, and gold are even more preferred.
また、金属パターンは誘電体層と同一の金属元素を含むことが好ましい。これにより、誘電体層の経時劣化によって誘電体層中の金属が析出した場合でも、金属パターンの安定性が良好である。特に、金属パターンと誘電体層との両方が銅元素を含むことがさらに好ましい。銅は、体積抵抗率が低いため、電磁波によって励起される金属パターン上の表面プラズモンを減衰させにくい。 It is also preferable that the metal pattern contains the same metal element as the dielectric layer. This ensures good stability of the metal pattern even if the metal in the dielectric layer precipitates due to deterioration of the dielectric layer over time. In particular, it is even more preferable that both the metal pattern and the dielectric layer contain copper elements. Copper has a low volume resistivity, so it is difficult to attenuate surface plasmons on the metal pattern excited by electromagnetic waves.
(追加の層又は部材)
電磁波制御素子は、金属層、誘電体層及び金属パターンの他に、追加の層又は部材を更に含んでもよい。例えば、金属層と誘電体層との間に密着層が配置されてもよい。密着層としては、アクリル樹脂、クロロプレンゴム、又はシリコーンゴム等の層が挙げられる。密着層の存在によれば、金属層と誘電体層とが互いに安定的に保持されるため、電磁波制御素子の電磁波制御性能がより良好に発現され得る。また、酸化防止等の目的で金属パターンを樹脂層又は樹脂部材で被覆してもよい。この場合の樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタラート(PET)樹脂等が挙げられる。
(Additional Layers or Components)
The electromagnetic wave control element may further include an additional layer or member in addition to the metal layer, the dielectric layer, and the metal pattern. For example, an adhesive layer may be disposed between the metal layer and the dielectric layer. Examples of the adhesive layer include layers of acrylic resin, chloroprene rubber, silicone rubber, and the like. The presence of the adhesive layer allows the metal layer and the dielectric layer to be stably held together, so that the electromagnetic wave control performance of the electromagnetic wave control element can be better expressed. In addition, the metal pattern may be covered with a resin layer or resin member for the purpose of preventing oxidation, etc. Examples of the resin in this case include epoxy resin, polyethylene terephthalate (PET) resin, and the like.
(動作周波数)
電磁波制御素子の動作周波数は、可視光帯からテラヘルツ波帯域であってよい。高速通信用途に好適であるという観点から、動作周波数は、好ましくは、0.7GHz以上、又は1.5GHz以上、又は3.6GHz以上、又は27GHz以上、又は92GHz以上、又は152GHz以上、又は287GHz以上である。電磁波の減衰を抑えるという観点から、動作周波数は、好ましくは、400THz以下、又は10THz以下、又は3THz以下である。
(operating frequency)
The operating frequency of the electromagnetic wave control element may be from the visible light band to the terahertz wave band. From the viewpoint of suitability for high-speed communication applications, the operating frequency is preferably 0.7 GHz or more, or 1.5 GHz or more, or 3.6 GHz or more, or 27 GHz or more, or 92 GHz or more, or 152 GHz or more, or 287 GHz or more. From the viewpoint of suppressing attenuation of electromagnetic waves, the operating frequency is preferably 400 THz or less, or 10 THz or less, or 3 THz or less.
(電磁波反射角)
電磁波制御素子が電磁波反射素子である場合、0.7GHz以上400THz以下であるいずれかの周波数の電磁波について、当該素子に0°で入射した電磁波の反射角は、電磁波反射板としてのゲインを大きくする観点から、好ましくは、3°以上、又は5°以上、又は10°以上であり、上記観点から、好ましくは、70°以下、又は60°以下、又は35°以下である。本実施形態の電磁波反射素子は、直進性が高い高周波帯域の電磁波においても電磁波の遮蔽物回り込み性に優れる。
(Electromagnetic wave reflection angle)
When the electromagnetic wave control element is an electromagnetic wave reflecting element, for electromagnetic waves of any frequency between 0.7 GHz and 400 THz, the reflection angle of the electromagnetic wave incident on the element at 0° is preferably 3° or more, 5° or more, or 10° or more from the viewpoint of increasing the gain as an electromagnetic wave reflector, and is preferably 70° or less, 60° or less, or 35° or less from the above viewpoint. The electromagnetic wave reflecting element of this embodiment is excellent in the ability to wrap around shielding objects even for electromagnetic waves in a high frequency band with high linearity.
<電磁波送受信システム>
本発明の一態様は、本実施形態の電磁波制御素子と、電磁波発信アンテナとを含む電磁波送受信システムを提供する。アンテナの方式及び形状は特に限定されず、目的に応じて適宜選択してよい。アンテナとしては、例えば、マイクロストリップアンテナが挙げられる。
<Electromagnetic wave transmitting and receiving system>
One aspect of the present invention provides an electromagnetic wave transmission/reception system including the electromagnetic wave control element of the present embodiment and an electromagnetic wave transmission antenna. The type and shape of the antenna are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. For example, the antenna may be a microstrip antenna.
<電磁波制御素子の製造方法>
本発明の一態様は、本実施形態の誘電体で構成された誘電体層と、金属層とを含む電磁波制御素子の製造方法であって、金属層上に誘電体層を形成する工程を含む方法を提供する。
<Method of Manufacturing Electromagnetic Wave Control Element>
One aspect of the present invention provides a method for manufacturing an electromagnetic wave control element including a dielectric layer made of the dielectric of this embodiment and a metal layer, the method including a step of forming the dielectric layer on the metal layer.
[誘電体層を形成する工程]
本工程では、金属層上に誘電体層を形成する。誘電体層の形成方法としては、金属層上に誘電体を印刷する方法(印刷法)、金属層上に誘電体を蒸着する方法(蒸着法)、金属層と誘電体層とを圧延機でプレスして密着させる方法(プレス法)等が挙げられる。プレス法では、金属層と誘電体層との間に密着層を挟んで上記圧延機でプレスしてもよい。この場合、金属層と誘電体層とをより強固に保持できる。金属層の表面が大面積であっても誘電体を安価なプロセスで均一に塗布できる点で、印刷法は特に好ましい。印刷法によれば、金属層上に誘電体層を直接且つ高精度に形成できるため、例えばマスクを用いた現像及びエッチングを行う手法と比較して生産性を向上させることができる。また、例えば蒸着法では減圧プロセスが必要であるが、印刷法ではこのような減圧プロセスが不要であり製造コスト面で有利である。
[Step of forming dielectric layer]
In this step, a dielectric layer is formed on the metal layer. Examples of methods for forming the dielectric layer include a method of printing a dielectric on a metal layer (printing method), a method of depositing a dielectric on a metal layer (deposition method), and a method of pressing a metal layer and a dielectric layer with a rolling machine to adhere them to each other (pressing method). In the pressing method, an adhesive layer may be sandwiched between the metal layer and the dielectric layer and pressed with the rolling machine. In this case, the metal layer and the dielectric layer can be held more firmly. The printing method is particularly preferable in that the dielectric can be uniformly applied by an inexpensive process even if the surface of the metal layer is large. According to the printing method, the dielectric layer can be formed directly on the metal layer with high accuracy, so that the productivity can be improved compared to, for example, a method of developing and etching using a mask. In addition, for example, a vacuum process is required in the vapor deposition method, but such a vacuum process is not required in the printing method, which is advantageous in terms of manufacturing costs.
印刷法においては、誘電体を金属層上の一部又は全部の領域に塗布して塗膜を形成してよい。印刷法に用いる誘電体は、所望の流動性を有するように粘度が調整されたものであってよく、そのまま、又は分散媒に分散させて用いてよい。 In the printing method, the dielectric may be applied to a part or all of the area on the metal layer to form a coating. The dielectric used in the printing method may have a viscosity adjusted to have the desired fluidity, and may be used as is or dispersed in a dispersion medium.
誘電体のより具体的な塗布方法としては、エアロゾル法、スクリーン印刷、凹版ダイレクト印刷、凹版オフセット印刷、フレキソ印刷、平板オフセット印刷、及びディスペンサー描画法等を用いることができる。塗布機構としては、ダイコート、スピンコート、スリットコート、バーコート、ナイフコート、スプレーコート、ディップコート等を用いることができる。塗膜は必要に応じて乾燥工程により乾燥させてもよい。 Specific examples of the dielectric coating method include aerosol coating, screen printing, intaglio direct printing, intaglio offset printing, flexographic printing, flatbed offset printing, and dispenser drawing. Coating mechanisms include die coating, spin coating, slit coating, bar coating, knife coating, spray coating, and dip coating. If necessary, the coating film may be dried by a drying process.
[金属パターンを形成する工程]
電磁波制御素子が金属パターンを更に含む場合、電磁波制御素子の製造方法は、当該金属パターンを形成する工程を更に含む。一態様においては、誘電体層にエネルギー照射を行うことで、誘電体層上及び/又は誘電体層内に金属パターンを形成する。エネルギー照射によって金属パターンを形成する方法としては、熱焼成法、プラズマ焼成法、光焼成法等が挙げられる。
[Metal pattern forming process]
When the electromagnetic wave control element further includes a metal pattern, the manufacturing method of the electromagnetic wave control element further includes a step of forming the metal pattern. In one embodiment, the metal pattern is formed on and/or within the dielectric layer by irradiating the dielectric layer with energy. Examples of the method of forming the metal pattern by energy irradiation include a thermal sintering method, a plasma sintering method, and a light sintering method.
熱焼成法では、焼成炉を用いて誘電体層中の金属酸化物の一部を金属に還元する。この方法では、目的の金属パターン形状に対応する図形が描画された熱反射マスキングフィルムを誘電体層上に配置し、当該熱反射マスキングフィルム上から赤外線照射を行うことによってパターニングを行う。これにより、金属層、誘電体層、金属パターンがこの順に配置された積層構造を形成できる。金属を焼結させるために、例えば100℃以上、好ましくは150℃以上、より好ましくは200℃以上の熱で塗膜を熱焼成する。熱焼成の温度は、プロセス効率の観点から、一態様において、1000℃以下、又は600℃以下、又は400℃以下であってよい。なお上記の熱焼成温度は、焼成時の誘電体層の温度を熱電対で測定することで確認できる。熱焼成では、酸素の影響を受けやすいため、非酸化性雰囲気で誘電体層を熱焼成することが好ましい。金属酸化物の還元は、誘電体層中に存在する有機物の寄与で進行するが、有機物のみでは還元が進行し難い場合には、還元性雰囲気で熱焼成を行うことが好ましい。非酸化性雰囲気とは、酸素等の酸化性ガスを含まない雰囲気であり、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスで満たされた雰囲気である。また還元性雰囲気とは、水素、一酸化炭素等の還元性ガスが存在する雰囲気を指し、還元性ガスのみ、又は還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスで満たされた雰囲気である。これらのガスを焼成炉中に充填し、密閉系で又はガスを連続的に流しながら、誘電体層を熱焼成してよい。熱焼成は、常圧、加圧及び減圧のいずれの雰囲気で行ってもよい。 In the thermal firing method, a part of the metal oxide in the dielectric layer is reduced to metal using a firing furnace. In this method, a heat-reflecting masking film on which a figure corresponding to the desired metal pattern shape is drawn is placed on the dielectric layer, and infrared radiation is applied from above the heat-reflecting masking film to perform patterning. This allows the formation of a laminated structure in which a metal layer, a dielectric layer, and a metal pattern are arranged in this order. In order to sinter the metal, the coating film is thermally fired at heat of, for example, 100°C or higher, preferably 150°C or higher, and more preferably 200°C or higher. In one embodiment, the temperature of the thermal firing may be 1000°C or lower, 600°C or lower, or 400°C or lower, from the viewpoint of process efficiency. The above thermal firing temperature can be confirmed by measuring the temperature of the dielectric layer during firing with a thermocouple. Since thermal firing is easily affected by oxygen, it is preferable to thermally fire the dielectric layer in a non-oxidizing atmosphere. The reduction of the metal oxide proceeds with the contribution of organic matter present in the dielectric layer, but when the reduction does not proceed easily with only the organic matter, it is preferable to perform the thermal firing in a reducing atmosphere. A non-oxidizing atmosphere is an atmosphere that does not contain an oxidizing gas such as oxygen, and is, for example, an atmosphere filled with an inert gas such as nitrogen, argon, helium, or neon. A reducing atmosphere refers to an atmosphere in which a reducing gas such as hydrogen or carbon monoxide is present, and is an atmosphere filled with only a reducing gas or a mixture of a reducing gas and an inert gas. These gases may be filled in a firing furnace, and the dielectric layer may be thermally fired in a closed system or while the gas is continuously flowing. Thermal firing may be performed in any atmosphere of normal pressure, pressurized pressure, or reduced pressure.
プラズマ焼成法では、目的の金属パターン形状に対応する図形が描画されたプラズマ吸収材料(例えば、ガラス、樹脂等)を誘電体層上に配置し、当該プラズマ吸収材料上からプラズマ照射を行うことによってパターニングを行う。これにより、金属層、誘電体層、金属パターンがこの順に配置された積層構造を形成できる。プラズマ焼成法は、熱焼成法と比較して、より低い温度での処理が可能であり、耐熱性の低い誘電体を用いる場合には熱焼成法よりも有利であり得る。またプラズマ焼成法によれば、プラズマによってパターン表面の有機物、酸化膜等の除去が可能であるため、例えば電磁波制御素子を更にハンダ付けする場合に良好なハンダ付け性を確保できるという利点もある。具体的には、還元性ガス、又は還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスをチャンバー内に流し、マイクロ波によりプラズマを発生させ、これにより生成する活性種を、還元又は焼結に必要な加熱源として、金属パターンを形成する。還元性ガスとしては水素等、不活性ガスとしては窒素、ヘリウム、アルゴン等を用いることができる。これらは単独で、又は還元ガスと不活性ガスとを任意の割合で混合して用いてよい。また不活性ガス成分を2種以上混合し用いてもよい。 In the plasma sintering method, a plasma absorbing material (e.g., glass, resin, etc.) on which a figure corresponding to the desired metal pattern shape is drawn is placed on a dielectric layer, and patterning is performed by irradiating the plasma on the plasma absorbing material. This allows the formation of a laminated structure in which a metal layer, a dielectric layer, and a metal pattern are arranged in this order. Compared to the thermal sintering method, the plasma sintering method allows processing at a lower temperature, and may be more advantageous than the thermal sintering method when a dielectric with low heat resistance is used. In addition, according to the plasma sintering method, since it is possible to remove organic matter, oxide film, etc. on the pattern surface by plasma, there is also the advantage that good solderability can be ensured, for example, when an electromagnetic wave control element is further soldered. Specifically, a reducing gas or a mixed gas of a reducing gas and an inert gas is flowed into the chamber, plasma is generated by microwaves, and the active species generated by this are used as a heat source required for reduction or sintering to form a metal pattern. Hydrogen, etc. can be used as the reducing gas, and nitrogen, helium, argon, etc. can be used as the inert gas. These may be used alone or by mixing the reducing gas and the inert gas in any ratio. Two or more inert gas components may also be mixed and used.
プラズマ焼成法では、特に金属部分において活性種の失活が多く、金属部分が選択的に加熱される。誘電体層中の金属酸化物は焼成が進むにつれて金属に変化し、金属パターン部分のみの加熱が促進される。また金属パターン中に有機物が残留すると焼結の妨げとなり、金属パターンの電気抵抗が上がる傾向にあるが、プラズマ焼成法は金属パターン中の有機物除去効果が大きい。 In plasma sintering, active species are deactivated especially in the metal parts, and the metal parts are selectively heated. As sintering progresses, the metal oxide in the dielectric layer changes to metal, facilitating heating of only the metal pattern parts. In addition, if organic matter remains in the metal pattern, it can hinder sintering and tend to increase the electrical resistance of the metal pattern, but plasma sintering is highly effective at removing organic matter from the metal pattern.
プラズマ焼成法は、マイクロ波投入パワー、導入ガス流量、チャンバー内圧、プラズマ発生源から処理サンプルまでの距離、処理サンプル温度、及び処理時間の調整が可能であり、これらを調整することで処理の強度を変えることができる。従って、上記調整項目の最適化を図れば、様々な厚みの金属パターンを得ることが可能となる。但し、最適条件は誘電体層中の金属酸化物粒子及び不揮発性有機物の種類及び/又は量により異なるため、目的に応じて調整するのがよい。 In the plasma firing method, it is possible to adjust the microwave input power, the flow rate of the introduced gas, the pressure inside the chamber, the distance from the plasma source to the sample to be processed, the temperature of the sample to be processed, and the processing time, and adjusting these allows the intensity of the processing to be changed. Therefore, by optimizing the above adjustment items, it is possible to obtain metal patterns of various thicknesses. However, since the optimal conditions differ depending on the type and/or amount of metal oxide particles and non-volatile organic matter in the dielectric layer, it is best to adjust them according to the purpose.
光焼成法では、エネルギー照射として光照射を行う。光源としてキセノン等の放電管を用いたフラッシュ光方式、又はレーザ光方式が適用可能である。これらの方法は強度の大きい光を短時間露光し、誘電体層の温度を短時間で高温に上昇させ焼成する方法で、誘電体層中の金属酸化物の還元、焼結、これらの一体化、及び有機物の分解を行い、金属パターンを形成する方法である。光焼成法をレーザ照射により行う場合、誘電体層へのレーザ照射によって焼成とパターニングとを一度に行うことができる。エネルギー照射強度の調整によって、金属パターンの下に未還元の誘電体層が残るようにすることができる。これにより、金属層、誘電体層、金属パターンがこの順に配置された積層構造を形成できる。 In the light sintering method, light irradiation is used as the energy irradiation. A flash light method using a discharge tube such as xenon as a light source, or a laser light method can be applied. These methods involve short-term exposure to high-intensity light, raising the temperature of the dielectric layer to a high temperature in a short time, and sintering, which reduces and sinters the metal oxide in the dielectric layer, integrates them, and decomposes the organic matter to form a metal pattern. When the light sintering method is performed by laser irradiation, sintering and patterning can be performed at the same time by irradiating the dielectric layer with a laser. By adjusting the energy irradiation intensity, it is possible to leave an unreduced dielectric layer under the metal pattern. This allows the formation of a layered structure in which a metal layer, a dielectric layer, and a metal pattern are arranged in that order.
フラッシュ光方式とは、キセノン放電管を用い、キャパシタに蓄えられた電荷を瞬時に放電する方式で、大光量のパルス光を発生させ、誘電体層に照射することにより誘電体層中の金属酸化物を瞬時に高温に加熱し、金属パターンに変化させる方法である。露光量は、光強度、発光時間、光照射間隔、及び回数で調整可能である。 The flash light method uses a xenon discharge tube to instantly discharge the charge stored in a capacitor, generating a large amount of pulsed light that is then irradiated onto the dielectric layer to instantly heat the metal oxide in the dielectric layer to a high temperature, changing it into a metal pattern. The amount of exposure can be adjusted by the light intensity, light emission time, light irradiation interval, and number of times.
発光光源は異なるが、レーザ光源を用いてもフラッシュ光方式と同様な効果が得られる。レーザの場合は、フラッシュ光方式の調整項目に加え、波長選択の自由度があり、誘電体層の光吸収波長を考慮して、発光波長を選択可能である。またビームスキャンによる露光が可能であり、誘電体層全面への露光、又は部分露光の選択等、露光範囲の調整が容易であるといった特徴がある。レーザの種類としてはYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)レーザ、YVO(イットリウムバナデイト)レーザ、Yb(イッテルビウム)レーザ、半導体(GaAs、GaAlAs、GaInAs)レーザ、炭酸ガスレーザ等を用いることができ、基本波だけでなく必要に応じ高調波を取り出して使用してもよい。 Although the light source is different, the same effect as the flash light method can be obtained by using a laser light source. In addition to the adjustment items of the flash light method, the laser has the freedom of wavelength selection, and the emission wavelength can be selected taking into account the light absorption wavelength of the dielectric layer. In addition, exposure by beam scanning is possible, and it is characterized by the ease of adjusting the exposure range, such as selecting exposure to the entire dielectric layer or partial exposure. Types of lasers that can be used include YAG (yttrium aluminum garnet) lasers, YVO (yttrium vanadate) lasers, Yb (ytterbium) lasers, semiconductor (GaAs, GaAlAs, GaInAs) lasers, and carbon dioxide lasers, and not only the fundamental wave but also higher harmonics can be extracted and used as necessary.
特に、レーザ光を用いる場合、その発光波長は、300nm以上1500nm以下が好ましく、例えば355nm、405nm、445nm、450nm、532nm、1056nm等が好ましい。誘電体層の吸収領域から、355nm、405nm、445nm、450nm、及び/又は532nmのレーザ波長が特に好ましい。レーザ光を用いることで所望のパターンを平面又は立体に自由に作製することができる。 In particular, when using laser light, the emission wavelength is preferably 300 nm or more and 1500 nm or less, for example, 355 nm, 405 nm, 445 nm, 450 nm, 532 nm, 1056 nm, etc. are preferable. From the absorption region of the dielectric layer, laser wavelengths of 355 nm, 405 nm, 445 nm, 450 nm, and/or 532 nm are particularly preferable. By using laser light, it is possible to freely create desired patterns in a plane or three-dimensional form.
電磁波制御素子を更にハンダ付する場合にハンダが載りやすくハンダ密着性を高くできるという観点で、金属パターンの算術平均表面粗さ(Ra)は、1nm以上500nm以下であることが好ましい。本開示で、算術平均表面粗さは、表面粗さ測定器を用い、日本工業規格(JIS)B0601に準拠した方法で測定される値である。 From the viewpoint of making it easier for solder to adhere and increasing solder adhesion when the electromagnetic wave control element is further soldered, it is preferable that the arithmetic mean surface roughness (Ra) of the metal pattern is 1 nm or more and 500 nm or less. In this disclosure, the arithmetic mean surface roughness is a value measured using a surface roughness measuring instrument by a method conforming to Japanese Industrial Standards (JIS) B0601.
以下、本発明の例示の態様を、実施例を挙げて更に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The following provides further explanation of exemplary aspects of the present invention with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[評価方法]
(金属酸化物粒子の平均粒子径及び多分散指数)
金属酸化物粒子の平均粒子径及び多分散指数は、金属酸化物粒子を溶媒中に分散させて、大塚電子製nanoSAQLAを用いてキュムラント法によって測定した。
[Evaluation method]
(Average particle size and polydispersity index of metal oxide particles)
The average particle size and polydispersity index of the metal oxide particles were measured by dispersing the metal oxide particles in a solvent and using a nanoSAQLA manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd. by the cumulant method.
(比誘電率)
比誘電率は、アドバンテスト社製TAS7500SLを用いて、試料にテラヘルツ波(周波数0.5THz)を透過させたときの透過電場の時間波形から算出した。
(Dielectric constant)
The relative dielectric constant was calculated from the time waveform of the transmitted electric field when terahertz waves (frequency 0.5 THz) were transmitted through the sample using a TAS7500SL manufactured by Advantest Corporation.
[実施例1]
(誘電体の調製)
蒸留水(共栄製薬株式会社製)1890g、1,2-プロピレングリコール(関東化学株式会社製)874gの混合溶媒中に酢酸銅(II)一水和物(関東化学株式会社製)202gを溶かし、外部温調器によって液温を-5℃にした。得られた溶液にヒドラジン一水和物(東京化成工業株式会社製)59gを20分間かけて加え、窒素雰囲気下で30分間攪拌した後、外部温調器によって液温を25℃にし、90分間攪拌した。攪拌後、得られた分散液を遠心分離で上澄みと沈殿物に分離した。得られた沈殿物98gに、DISPERBYK-145(ビックケミー社製)(不揮発性有機物として)6gとエタノール(富士フイルム和光純薬社製)219gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。メトキシポリエチレングリコール(青木油脂社製)(不揮発性有機物として)15gとターピネオール(日本香料薬品社製)(溶媒として)15gの混合液を加え、ロータリーエバポレーターによって揮発性溶媒を留去した。酸化第一銅粒子質量64%の組成物101gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は21.4nm、多分散指数は13.7%、比誘電率は7.6であった。
[Example 1]
(Preparation of Dielectric)
202 g of copper acetate (II) monohydrate (Kanto Chemical Co., Ltd.) was dissolved in a mixed solvent of 1890 g of distilled water (Kyoei Pharmaceutical Co., Ltd.) and 874 g of 1,2-propylene glycol (Kanto Chemical Co., Ltd.), and the liquid temperature was adjusted to -5 ° C. by an external temperature regulator. 59 g of hydrazine monohydrate (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to the obtained solution over 20 minutes, and the mixture was stirred for 30 minutes under a nitrogen atmosphere, and then the liquid temperature was adjusted to 25 ° C. by an external temperature regulator and stirred for 90 minutes. After stirring, the obtained dispersion was separated into a supernatant and a precipitate by centrifugation. A mixture of 6 g of DISPERBYK-145 (BYK-Chemie Co., Ltd.) (as a non-volatile organic substance) and 219 g of ethanol (FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 98 g of the obtained precipitate, and the mixture was dispersed using a homogenizer. A mixture of 15 g of methoxypolyethylene glycol (manufactured by Aoki Oil Co., Ltd.) (as a non-volatile organic substance) and 15 g of terpineol (manufactured by Nippon Fragrance Pharmaceutical Co., Ltd.) (as a solvent) was added, and the volatile solvent was removed using a rotary evaporator. 101 g of a composition containing 64% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The average particle size of the cuprous oxide particles was 21.4 nm, the polydispersity index was 13.7%, and the relative dielectric constant was 7.6.
得られた組成物を、ポリイミド基板(東レ・デュポン株式会社製)上にアプリケーターを用いて塗布し、オーブンで60℃4時間乾燥させ、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、5.1であった。なお、メトキシポリエチレングリコール、およびDISPERBYK-145自体の比誘電率は、それぞれ2.9、および4.6であった。 The resulting composition was applied to a polyimide substrate (manufactured by DuPont-Toray Co., Ltd.) using an applicator and dried in an oven at 60°C for 4 hours to form a dielectric on the polyimide substrate. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the dielectric constant of the dielectric was measured, which was 5.1. The dielectric constants of methoxypolyethylene glycol and DISPERBYK-145 itself were 2.9 and 4.6, respectively.
(電磁波制御素子の設計)
図1は、実施例1で作製した積層体について説明する図であり、(A)は斜視図、(B)は(A)のB-B切断部端面図である。また、図2は、実施例1で作製した積層体における金属パターンについて説明する図である。図1及び2を参照し、金属層11(厚み18μm、銅)上に、誘電体層12(金属パターン非形成部R1の厚み28μm、金属パターン形成部R2の厚み25μm、比誘電率5.1)を配置し、その上に金属パターン13(厚み1.5μm、縦の長さL、横の長さ90μmの直方体である銅の構造体が、縦方向の周期200μm、横方向の周期120μmの繰り返し単位P1にて規則的に配置された金属パターン)を配置した積層体1を設計した。上記の設計では、誘電体層内に埋め込まれた形態の金属パターンが配置される態様を模擬して、誘電体層12の厚みを金属パターン非形成部R1と金属パターン形成部R2とで上記のように異ならせた。
(Design of electromagnetic wave control elements)
FIG. 1 is a diagram for explaining the laminate produced in Example 1, (A) is a perspective view, and (B) is a cross-sectional end view of the B-B cut portion of (A). FIG. 2 is a diagram for explaining the metal pattern in the laminate produced in Example 1. With reference to FIGS. 1 and 2, a
この積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図3に示す。 The phase of the reflected wave was calculated for this laminate when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave was parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 3.
図3に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(73μm、96μm、102μm、112μm、148μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図5に示す。なお、図5の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図5に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 3, five vertical lengths L of the
次に、周波数0.1THzにおいて図4中右方向14.5°に異常反射する積層体を設計した。図1及び2を参照し、金属層11(厚み18μm、銅)上に、誘電体層12(金属パターン非形成部R1の厚み128μm、金属パターン形成部R2の厚み125μm、比誘電率5.1)を配置し、その上に金属パターン13(厚み1.5μm、縦の長さL、横の長さ450μmの直方体である銅の構造体が、縦方向の周期1000μm、横方向の周期600μmの繰り返し単位P1にて規則的に配置された金属パターン)を配置した積層体1を設計した。
Next, a laminate was designed that exhibits abnormal reflection at 14.5° to the right in Figure 4 at a frequency of 0.1 THz. Referring to Figures 1 and 2, a
この積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.1THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図6に示す。 The phase of the reflected wave was calculated for this laminate when an electromagnetic wave with a frequency of 0.1 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave was parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 6.
図6に示す結果に基づき、図7に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(422μm、514μm、550μm、591μm、850μm)、それを4個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.1THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図7中の長さLと平行方向である。結果を図8に示す。なお、図8の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図8に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図7中右方向14.5°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 6, five vertical lengths L of the
次に、周波数8.5GHzにおいて図4中右方向60°に異常反射する積層体を設計した。図1及び2を参照し、金属層11(厚み18μm、銅)上に、誘電体層12(金属パターン非形成部R1の厚み1503μm、金属パターン形成部R2の厚み1500μm、比誘電率5.1)を配置し、その上に金属パターン13(厚み1.5μm、縦の長さL、横の長さ6300μmの直方体である銅の構造体が、縦方向の周期12000μm、横方向の周期8150μmの繰り返し単位P1にて規則的に配置された金属パターン)を配置した積層体1を設計した。
Next, a laminate was designed that abnormally reflects at 60° to the right in Figure 4 at a frequency of 8.5 GHz. Referring to Figures 1 and 2, a
この積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数8.5GHzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図9に示す。 The phase of the reflected wave was calculated for this laminate when an electromagnetic wave with a frequency of 8.5 GHz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave was parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 9.
図9に示す結果に基づき、図10に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(2100μm、5910μm、6400μm、6810μm、7860μm)、それを1個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数8.5GHzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図10中の長さLと平行方向である。結果を図11に示す。なお、図11の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図11に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図10中右方向60°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 9, as shown in FIG. 10, five vertical lengths L of the
(積層体の作製)
上記の設計に基づいて周波数0.5THzにおいて30°に異常反射する積層体を作製した。図1及び4を再び参照し、金属層11(面積900mm2、厚み18μm、アズワン社製の電解銅箔)上に、上記で調製した組成物を、アプリケーターを用いて塗布し、オーブンで60℃にて4時間乾燥させることで、誘電体層12(厚み28μm、比誘電率5.1)を形成した。次いで、波長355nmのレーザ光を誘電体層12に照射して、金属パターン13(厚み1.5μm、縦の長さL、横の長さ90μmの直方体である金属構造体の縦の長さLを5つ選択し(73μm、96μm、102μm、112μm、148μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位からなる金属パターン)を形成した。誘電体層12へのレーザ照射によって金属パターン13を形成したことに起因して、誘電体層12のうち金属パターン下の部位(すなわち金属パターン形成部R2に相当する部位)の厚みは25μmとなった。
(Preparation of Laminate)
Based on the above design, a laminate with an abnormal reflection at 30° at a frequency of 0.5 THz was prepared. Referring again to Figures 1 and 4, the composition prepared above was applied to a metal layer 11 (area 900 mm2 , thickness 18 μm, electrolytic copper foil manufactured by AS ONE Corporation) using an applicator, and dried in an oven at 60°C for 4 hours to form a dielectric layer 12 (thickness 28 μm, relative dielectric constant 5.1). Next, a laser beam with a wavelength of 355 nm was irradiated to the
[実施例2]
(誘電体の調製)
実施例1と同様の操作によって得られた沈殿物98gに、DISPERBYK-145(ビックケミー社製)(不揮発性有機物として)18gとヘプタノール(東洋合成社製)207gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。酸化第一銅粒子質量20%の組成物323gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は32.6nm、多分散指数は10.8%、比誘電率は7.6であった。
[Example 2]
(Preparation of Dielectric)
A mixture of 18 g of DISPERBYK-145 (manufactured by BYK-Chemie) (as a non-volatile organic substance) and 207 g of heptanol (manufactured by Toyo Gosei Co., Ltd.) was added to 98 g of the precipitate obtained by the same procedure as in Example 1, and the mixture was dispersed using a homogenizer. 323 g of a composition containing 20% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The cuprous oxide particles had an average particle size of 32.6 nm, a polydispersity index of 10.8%, and a relative dielectric constant of 7.6.
得られた組成物を用いて、実施例1と同様の操作によって、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、4.9であった。 The obtained composition was used to form a dielectric on a polyimide substrate in the same manner as in Example 1. The obtained dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the relative dielectric constant of the dielectric was measured, which was 4.9.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率以外は実施例1と同様にして、図1及び図2に示す積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図12に示す。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Except for the relative dielectric constant of the dielectric, the laminate shown in Figures 1 and 2 was subjected to phase calculation of the reflected wave when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS, in the same manner as in Example 1. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 12.
図12に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(67μm、98μm、106μm、114μm、142μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図13に示す。なお、図13の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図13に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 12, five vertical lengths L of the
[実施例3]
(誘電体の調製)
実施例1と同様の操作によって得られた沈殿物98gに、DISPERBYK-145(ビックケミー社製)(不揮発性有機物として)18gとヘプタノール(東洋合成社製)210gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。酸化第一銅粒子質量20%の組成物326gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は32.2nm、多分散指数は12.6%、比誘電率は7.6であった。
[Example 3]
(Preparation of Dielectric)
A mixture of 18 g of DISPERBYK-145 (manufactured by BYK-Chemie) (as a non-volatile organic substance) and 210 g of heptanol (manufactured by Toyo Gosei Co., Ltd.) was added to 98 g of the precipitate obtained by the same procedure as in Example 1, and the mixture was dispersed using a homogenizer. 326 g of a composition containing 20% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The cuprous oxide particles had an average particle size of 32.2 nm, a polydispersity index of 12.6%, and a relative dielectric constant of 7.6.
実施例1と同様の操作によって、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、5.1であった。 A dielectric was formed on a polyimide substrate by the same procedure as in Example 1. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the relative dielectric constant of the dielectric was measured, which was 5.1.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率が実施例1と同じ値であったため、実施例1と同じ設計によって図5に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射させることができる。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Since the relative dielectric constant of the dielectric was the same as that of Example 1, the same design as that of Example 1 made it possible to abnormally reflect an incident wave at 0° (i.e., an incident wave perpendicular to the laminate) to the right in the direction of 30° in FIG. 4, as shown in FIG. 5.
[実施例4]
(誘電体の調製)
実施例1と同様の操作によって得られた沈殿物98gに、DISPERBYK-145(ビックケミー社製)(不揮発性有機物として)13gとエタノール(富士フイルム和光純薬社製)212gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。酸化第一銅粒子質量20%の組成物323gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は22.3nm、多分散指数は16.7%、比誘電率は7.6であった。
[Example 4]
(Preparation of Dielectric)
A mixture of 13 g of DISPERBYK-145 (manufactured by BYK-Chemie) (as a non-volatile organic substance) and 212 g of ethanol (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 98 g of the precipitate obtained by the same operation as in Example 1, and the mixture was dispersed using a homogenizer. 323 g of a composition containing 20% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The cuprous oxide particles had an average particle size of 22.3 nm, a polydispersity index of 16.7%, and a relative dielectric constant of 7.6.
実施例1と同様の操作によって、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、5.2であった。 A dielectric was formed on a polyimide substrate by the same procedure as in Example 1. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the relative dielectric constant of the dielectric was measured, which was 5.2.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率以外は実施例1と同様にして、図1及び図2に示す積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図14に示す。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Except for the relative dielectric constant of the dielectric, the laminate shown in Figures 1 and 2 was subjected to phase calculation of the reflected wave when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS, in the same manner as in Example 1. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 14.
図14に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(73μm、96μm、103μm、111μm、148μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図15に示す。なお、図15の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図15に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 14, five vertical lengths L of the
[実施例5]
(誘電体の調製)
ヒドラジン一水和物を加える前の液温を5℃にした以外は実施例1と同様の操作によって得られた沈殿物98gに、DISPERBYK-145(ビックケミー社製)(不揮発性有機物として)13gとジエチレングリコール(メルク社製)212gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。酸化第一銅粒子質量20%の組成物323gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は38.2nm、多分散指数は26.4%、比誘電率は7.6であった。
[Example 5]
(Preparation of Dielectric)
A mixture of 13 g of DISPERBYK-145 (manufactured by BYK-Chemie) (as a non-volatile organic substance) and 212 g of diethylene glycol (manufactured by Merck) was added to 98 g of precipitate obtained by the same procedure as in Example 1, except that the liquid temperature before the addition of hydrazine monohydrate was 5°C, and the mixture was dispersed using a homogenizer. 323 g of a composition containing 20% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The cuprous oxide particles had an average particle size of 38.2 nm, a polydispersity index of 26.4%, and a relative dielectric constant of 7.6.
実施例1と同様の操作によって、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、5.5であった。 A dielectric was formed on a polyimide substrate by the same procedure as in Example 1. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the relative dielectric constant of the dielectric was measured, which was 5.5.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率以外は実施例1と同様にして、図1及び図2に示す積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図16に示す。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Except for the relative dielectric constant of the dielectric, the laminate shown in Figures 1 and 2 was subjected to phase calculation of the reflected wave when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS, in the same manner as in Example 1. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 16.
図16に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(76μm、93μm、100μm、108μm、168μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図17に示す。なお、図17の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図17に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 16, five vertical lengths L of the
[実施例6]
(誘電体の調製)
実施例1において、混合溶媒中に加えた酢酸銅(II)一水和物を290gとし、その後加えたヒドラジン一水和物を85gとした以外は実施例1と同様の操作によって得られた沈殿物98gに、DISPERBYK-145(ビックケミー社製)(不揮発性有機物として)13gとエタノール(富士フイルム和光純薬社製)212gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。酸化第一銅粒子質量20%の組成物323gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は169nm、多分散指数は31.4%、比誘電率は7.6であった。
[Example 6]
(Preparation of Dielectric)
A mixture of 13 g of DISPERBYK-145 (manufactured by BYK-Chemie) (as a non-volatile organic substance) and 212 g of ethanol (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to 98 g of precipitate obtained by the same procedure as in Example 1, except that the amount of copper (II) acetate monohydrate added to the mixed solvent was 290 g and the amount of hydrazine monohydrate added thereafter was 85 g, and the mixture was dispersed using a homogenizer. 323 g of a composition containing 20% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The average particle size of the cuprous oxide particles was 169 nm, the polydispersity index was 31.4%, and the relative dielectric constant was 7.6.
実施例1と同様の操作によって、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、5.5であった。 A dielectric was formed on a polyimide substrate by the same procedure as in Example 1. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the relative dielectric constant of the dielectric was measured, which was 5.5.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率が実施例5と同じ値であったため、実施例5と同じ設計によって図17に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射させることができる。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Since the relative dielectric constant of the dielectric was the same as that of Example 5, the same design as that of Example 5 made it possible to abnormally reflect an incident wave at 0° (i.e., an incident wave perpendicular to the laminate) to the right in the
[実施例7]
(誘電体の調製)
加えたヒドラジン一水和物を29gとした以外は実施例5と同様の操作によって組成物323gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は51.7nm、多分散指数は39.7%、比誘電率は7.6であった。
[Example 7]
(Preparation of Dielectric)
Except for changing the amount of hydrazine monohydrate added to 29 g, the same procedure as in Example 5 was repeated to obtain 323 g of a composition. The cuprous oxide particles had an average particle size of 51.7 nm, a polydispersity index of 39.7%, and a relative dielectric constant of 7.6.
実施例1と同様の操作によって、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、6.0であった。 A dielectric was formed on a polyimide substrate by the same procedure as in Example 1. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the relative dielectric constant of the dielectric was measured, which was 6.0.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率以外は実施例1と同様にして、図1及び図2に示す積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図18に示す。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Except for the relative dielectric constant of the dielectric, the laminate shown in Figures 1 and 2 was subjected to phase calculation of the reflected wave when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS, in the same manner as in Example 1. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 18.
図18に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(63μm、87μm、94μm、101μm、128μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図19に示す。なお、図19の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図19に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 18, five vertical lengths L of the
[実施例8]
(誘電体の調製)
実施例1と同様の操作によって得られた沈殿物98gに、DISPERBYK-145(ビックケミー社製)(不揮発性有機物として)13gとジエチレングリコール(メルク社製)212gと酢酸(東京化成工業社製)129gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。酸化第一銅粒子質量14%の組成物452gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は3050nm、多分散指数は25.4%、比誘電率は7.6であった。
[Example 8]
(Preparation of Dielectric)
A mixture of 13 g of DISPERBYK-145 (manufactured by BYK-Chemie) (as a non-volatile organic substance), 212 g of diethylene glycol (manufactured by Merck) and 129 g of acetic acid (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to 98 g of the precipitate obtained by the same operation as in Example 1, and the mixture was dispersed using a homogenizer. 452 g of a composition containing 14% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The cuprous oxide particles had an average particle size of 3,050 nm, a polydispersity index of 25.4%, and a relative dielectric constant of 7.6.
実施例1と同様の操作によって、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、3.0であった。 A dielectric was formed on a polyimide substrate by the same procedure as in Example 1. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the relative dielectric constant of the dielectric was measured, which was 3.0.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率以外は実施例1と同様にして、図1及び図2に示す積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図20に示す。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Except for the relative dielectric constant of the dielectric, the laminate shown in Figures 1 and 2 was subjected to phase calculation of the reflected wave when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS, in the same manner as in Example 1. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 20.
図20に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(83μm、127μm、138μm、148μm、177μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図21に示す。なお、図21の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図21に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 20, five vertical lengths L of the
[実施例9]
(誘電体の調製)
実施例1と同様の操作によって得られた沈殿物98gに、DISPERBYK-145(ビックケミー社製)(不揮発性有機物として)13gとCR-U(信越化学社製)(不揮発性有機物として)7gとエチレングリコールモノメチルエーテル(東京化成工業社製)212gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。酸化第一銅粒子質量20%の組成物330gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は20.8nm、多分散指数は14.8%、比誘電率は7.6であった。
[Example 9]
(Preparation of Dielectric)
A mixture of 13 g of DISPERBYK-145 (manufactured by BYK-Chemie) (as a non-volatile organic substance), 7 g of CR-U (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) (as a non-volatile organic substance), and 212 g of ethylene glycol monomethyl ether (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to 98 g of the precipitate obtained by the same operation as in Example 1, and the mixture was dispersed using a homogenizer. 330 g of a composition containing 20% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The cuprous oxide particles had an average particle size of 20.8 nm, a polydispersity index of 14.8%, and a relative dielectric constant of 7.6.
実施例1と同様の操作によって、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、6.8であった。なお、CR-U自体の比誘電率は24であった。 A dielectric was formed on a polyimide substrate using the same procedure as in Example 1. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the dielectric constant of the dielectric was measured, which was 6.8. The dielectric constant of CR-U itself was 24.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率以外は実施例1と同様にして、図1及び図2に示す積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図22に示す。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Except for the relative dielectric constant of the dielectric, the laminate shown in Figures 1 and 2 was subjected to phase calculation of the reflected wave when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS, in the same manner as in Example 1. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 22.
図22に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(63μm、81μm、87μm、94μm、124μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図23に示す。なお、図23の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図23に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 22, five vertical lengths L of the
[実施例10]
(誘電体の調製)
酸化チタン粒子(シグマアルドリッチ社製)120gにUイミドワニス(ユニチカ社製)80gを加え、自公転ミキサーを用いて分散処理した。酸化チタン粒子質量60%の組成物200gを得た。酸化チタン粒子の平均粒子径は228nm、多分散指数は34.2%、比誘電率は48であった。
[Example 10]
(Preparation of Dielectric)
80 g of U-imide varnish (Unitika) was added to 120 g of titanium oxide particles (Sigma-Aldrich), and the mixture was dispersed using a planetary mixer. 200 g of a composition containing 60% titanium oxide particles was obtained. The average particle size of the titanium oxide particles was 228 nm, the polydispersity index was 34.2%, and the relative dielectric constant was 48.
ポリイミド基板(東レ・デュポン株式会社製)上にアプリケーターを用いて塗布し、ホットプレート上にて40℃で10分、その後80℃で10分硬化させ、ポリイミド基板上に誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、14であった。なお、Uイミドワニスを同様の硬化条件で硬化させたもの(以下硬化物Uとする)自体の比誘電率は5.5であった。 The mixture was applied to a polyimide substrate (manufactured by DuPont-Toray Co., Ltd.) using an applicator, and cured on a hot plate at 40°C for 10 minutes, then at 80°C for 10 minutes, forming a dielectric on the polyimide substrate. The resulting dielectric was removed together with the polyimide substrate, and the dielectric constant of the dielectric was measured, which was 14. The dielectric constant of the U imide varnish cured under the same curing conditions (hereinafter referred to as the cured product U) itself was 5.5.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率以外は実施例1と同様にして、図1及び図2に示す積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図24に示す。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Except for the relative dielectric constant of the dielectric, the laminate shown in Figures 1 and 2 was subjected to phase calculation of the reflected wave when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS, in the same manner as in Example 1. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 24.
図24に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(24μm、46μm、50μm、54μm、65μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図25に示す。なお、図25の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図25に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 24, five vertical lengths L of the
[実施例11]
(誘電体の調製)
酸化亜鉛粒子(富士フイルム和光純薬製社製)120gにUイミドワニス(ユニチカ社製)80gを加え、自公転ミキサーを用いて分散処理した。酸化亜鉛粒子質量60%の組成物200gを得た。酸化亜鉛粒子の平均粒子径は228nm、多分散指数は34.2%、比誘電率は2.0であった。
[Example 11]
(Preparation of Dielectric)
80 g of U-imide varnish (Unitika) was added to 120 g of zinc oxide particles (FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and the mixture was dispersed using a planetary mixer. 200 g of a composition containing 60% zinc oxide particles was obtained. The zinc oxide particles had an average particle size of 228 nm, a polydispersity index of 34.2%, and a relative dielectric constant of 2.0.
実施例10と同様の操作によって誘電体を形成させた。得られた誘電体をポリイミド基板ごと取り出し、誘電体の比誘電率を測定したところ、2.4であった。 A dielectric was formed by the same procedure as in Example 10. The resulting dielectric was removed from the polyimide substrate, and the relative dielectric constant of the dielectric was measured, which was 2.4.
(電磁波制御素子の設計)
誘電体の比誘電率以外は実施例1と同様にして、図1及び図2に示す積層体に対して、ANSYS社製HFSSを用い、周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波の位相計算を行った。電磁波の電場の偏光方向は図2中の長さLと平行方向である。結果を図26に示す。
(Design of electromagnetic wave control elements)
Except for the relative dielectric constant of the dielectric, the laminate shown in Figures 1 and 2 was subjected to phase calculation of the reflected wave when an electromagnetic wave with a frequency of 0.5 THz was incident at 0° using an HFSS manufactured by ANSYS, in the same manner as in Example 1. The polarization direction of the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the length L in Figure 2. The results are shown in Figure 26.
図26に示す結果に基づき、図4に示すように、金属パターン13の縦の長さLを5つ選択し(88μm、140μm、152μm、162μm、186μm)、それを2個ずつ並べた繰り返し単位P21からなる金属パターン構造P22を有する、電磁波制御素子を設計した。周波数0.5THzの電磁波を0°入射させたときの反射波強度の角度分布を計算した。電磁波の電場の偏光方向は図4中の長さLと平行方向である。結果を図27に示す。なお、図27の縦軸は電磁波強度に比例する値である。図27に示すように、0°の入射波(すなわち積層体に対して垂直方向の入射波)が図4中右方向30°に異常反射することが確認された。
Based on the results shown in FIG. 26, five vertical lengths L of the
実施例1~5、7からわかるように、多分散指数が大きくなるにつれて石垣効果により金属酸化物粒子が密にパッキングされ易くなり、空隙が減って誘電率が高くなった。
実施例1~7、9、10のように誘電率が大きくなるにつれて、図3,6,9,12,14,16,18,22,24に見られるように位相変化が大きい部分が左にシフトする。すると図4中の長さLが小さくなるため、積層体作製時の寸法ずれの影響が大きく出てしまいやすい。一方実施例11のように誘電率が低くなると、今度は図26に見られるように位相変化の大きい部分が右にシフトする。すると図4中の最も長いLが200μm近くなり、縦方向のパターン間隔が小さくなりすぎて、作製における寸法誤差によってはパターンがつぶれてしまいやすくなる。
As can be seen from Examples 1 to 5 and 7, as the polydispersity index increases, the metal oxide particles tend to be densely packed due to the stone wall effect, the voids decrease, and the dielectric constant increases.
As the dielectric constant increases as in Examples 1 to 7, 9, and 10, the portion with the larger phase change shifts to the left as shown in Figures 3, 6, 9, 12, 14, 16, 18, 22, and 24. This reduces the length L in Figure 4, making it easier for the effects of dimensional deviations during laminate fabrication to become more pronounced. On the other hand, when the dielectric constant decreases as in Example 11, the portion with the larger phase change shifts to the right as shown in Figure 26. This makes the longest L in Figure 4 close to 200 μm, making the vertical pattern spacing too small and making it easier for the pattern to be crushed due to dimensional errors during fabrication.
[比較例1]
実施例1と同様の方法で得られた沈殿物98gに、ジエチレングリコール(東京化成工業株式会社製)225gを加え、ホモジナイザーを用いて分散処理して、酸化第一銅粒子質量20%の組成物323gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は19.0nm、多分散指数は18.0%であった。
[Comparative Example 1]
225 g of diethylene glycol (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to 98 g of the precipitate obtained by the same method as in Example 1, and the mixture was dispersed using a homogenizer to obtain 323 g of a composition containing 20% by mass of cuprous oxide particles. The average particle size of the cuprous oxide particles was 19.0 nm, and the polydispersity index was 18.0%.
得られた組成物を、ポリイミド基板(東レ・デュポン株式会社製)上にアプリケーターを用いて塗布し、オーブンで60℃一晩乾燥させると、誘電体がひび割れてしまい、誘電率が測定できなかった。 The resulting composition was applied to a polyimide substrate (manufactured by DuPont-Toray Co., Ltd.) using an applicator and dried overnight in an oven at 60°C, resulting in cracking of the dielectric and making it impossible to measure the dielectric constant.
[比較例2]
実施例1と同様の方法で得られた沈殿物98gに、CR-U(信越化学社製)(不揮発性有機物として)23gとオクタノール(東京化成工業社製)202gの混合液を加え、ホモジナイザーを用いて分散処理した。酸化第一銅粒子質量20%の組成物323gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は26.2nm、多分散指数は7.2%であった。
[Comparative Example 2]
A mixture of 23 g of CR-U (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) (as a non-volatile organic substance) and 202 g of octanol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to 98 g of the precipitate obtained by the same method as in Example 1, and the mixture was dispersed using a homogenizer. 323 g of a composition containing 20% by mass of cuprous oxide particles was obtained. The average particle size of the cuprous oxide particles was 26.2 nm, and the polydispersity index was 7.2%.
実施例1と同様の操作によってポリイミド基板上に誘電体を形成させようとしたが、誘電体が脆く、崩れてしまい誘電率を測定できなかった。 We tried to form a dielectric on a polyimide substrate using the same procedure as in Example 1, but the dielectric was brittle and crumbled, making it impossible to measure the dielectric constant.
[比較例3]
加えたヒドラジン一水和物を22gとした以外は実施例5と同様の操作によって、組成物323gを得た。酸化第一銅粒子の平均粒子径は213nm、多分散指数は54.6%であった。
[Comparative Example 3]
The same procedure as in Example 5 was repeated except that 22 g of hydrazine monohydrate was added, to obtain 323 g of a composition. The cuprous oxide particles had an average particle size of 213 nm and a polydispersity index of 54.6%.
実施例1と同様の操作によってポリイミド基板上に誘電体を形成させようとしたが、誘電体がひび割れてしまい、誘電率を測定できなかった。
結果を表1に示す。
The results are shown in Table 1.
本発明に係る誘電体は、種々の電気部品、特に電磁波制御素子に好適に適用され得る。 The dielectric of the present invention can be suitably applied to various electrical components, particularly electromagnetic wave control elements.
1 積層体
11 金属層
12 誘電体層
13 金属パターン
1 Laminate 11
Claims (16)
前記金属酸化物粒子が、酸化銅を含み、
前記金属酸化物粒子の多分散指数が、10%以上40%以下であり、
前記誘電体中の前記金属酸化物粒子の質量比率が、45質量%以上95質量%以下である、誘電体。 A dielectric material comprising metal oxide particles and a non-volatile organic material,
the metal oxide particles include copper oxide;
The polydispersity index of the metal oxide particles is 10% or more and 40% or less,
A dielectric, wherein a mass ratio of the metal oxide particles in the dielectric is 45 mass % or more and 95 mass % or less .
前記金属層上に前記誘電体層が周期的に配置されている、電磁波制御素子。 An electromagnetic wave control element including a dielectric layer made of the dielectric material according to claim 1 and a metal layer,
An electromagnetic wave control element, wherein the dielectric layers are periodically arranged on the metal layer.
前記誘電体層が、金属酸化物粒子と、不揮発性有機物と、を含み、the dielectric layer comprises metal oxide particles and a non-volatile organic material;
前記金属酸化物粒子の多分散指数が、10%以上40%以下であり、The polydispersity index of the metal oxide particles is 10% or more and 40% or less,
前記誘電体中の金属酸化物粒子の質量比率が、45質量%以上95質量%以下であり、The mass ratio of metal oxide particles in the dielectric is 45 mass% or more and 95 mass% or less,
前記金属層上に前記誘電体層が周期的に配置されている、電磁波制御素子。An electromagnetic wave control element, wherein the dielectric layers are periodically arranged on the metal layer.
前記金属層と前記金属パターンとの間に前記誘電体層が存在する、
請求項6又は7に記載の電磁波制御素子。 Further comprising a periodically arranged metal pattern;
The dielectric layer is present between the metal layer and the metal pattern.
8. The electromagnetic wave control element according to claim 6 or 7.
金属層上に誘電体を印刷して前記誘電体層を形成する工程を含む、方法。 A method for manufacturing an electromagnetic wave control element including a dielectric layer made of the dielectric material according to claim 1 and a metal layer, comprising the steps of:
A method comprising printing a dielectric onto a metal layer to form said dielectric layer.
前記誘電体層が、金属酸化物粒子と、不揮発性有機物と、を含み、the dielectric layer comprises metal oxide particles and a non-volatile organic material;
前記金属酸化物粒子の多分散指数が、10%以上40%以下であり、The polydispersity index of the metal oxide particles is 10% or more and 40% or less,
前記誘電体中の金属酸化物粒子の質量比率が、45質量%以上95質量%以下であり、The mass ratio of metal oxide particles in the dielectric is 45 mass% or more and 95 mass% or less,
金属層上に誘電体を印刷して前記誘電体層を形成する工程を含む、方法。A method comprising printing a dielectric onto a metal layer to form said dielectric layer.
前記誘電体層にエネルギー照射を行って前記金属パターンを形成する工程をさらに含む、請求項13又は14に記載の方法。 The electromagnetic wave control element further includes a metal pattern,
15. The method of claim 13 or 14 , further comprising exposing the dielectric layer to energy radiation to form the metal pattern.
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