JP4989559B2 - Electronic device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、基材上に導電性高分子層が形成される電子デバイス及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an electronic device in which a conductive polymer layer is formed on a substrate and a method for manufacturing the same.
導電性高分子は、固体電解コンデンサ、帯電防止コーティング等において既に応用されている。また、有機エレクトロルミネッセント素子(有機EL素子)、有機太陽電池、有機トランジスタ、タッチパネル、電池用電極などにおいても、導電性高分子は応用が期待されている。 Conductive polymers have already been applied in solid electrolytic capacitors, antistatic coatings and the like. In addition, conductive polymers are expected to be applied to organic electroluminescent devices (organic EL devices), organic solar cells, organic transistors, touch panels, battery electrodes, and the like.
一般に、固体電解コンデンサは、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)などの弁作用金属からなる陽極を用い、この陽極の表面を陽極酸化することにより、主に酸化物からなる誘電体層を陽極の上に形成している。誘電体層の陰極側には電解液を用いたものと、固体の導電膜を用いたものが知られている。電解液を用いた場合、電解液が漏れだしたり、陽極と陰極の極性を間違えて接続した場合に発煙するなどの問題がある。現在では、固体の導電膜が一般に用いられている。 In general, a solid electrolytic capacitor uses an anode made of a valve metal such as aluminum (Al), tantalum (Ta), niobium (Nb), etc., and anodizes the surface of the anode so that a dielectric mainly made of oxide A body layer is formed on the anode. On the cathode side of the dielectric layer, those using an electrolytic solution and those using a solid conductive film are known. When the electrolytic solution is used, there is a problem that the electrolytic solution leaks or smoke is generated when the anode and the cathode are connected in the wrong polarity. At present, a solid conductive film is generally used.
固体の導電膜としては、二酸化マンガン、電荷移動錯体、導電性高分子等が用いられている。導電率の観点では、二酸化マンガンよりも、電荷移動錯体や導電性高分子等の有機導電材料の方が優れている。導電率の高い材料を用いることにより、固体電解コンデンサの特性値の1つである等価直列抵抗(ESR:Equivalent Series Resistance)の値を低くすることができる。特にポリピロール、ポリチオフェンなどの導電率の高い導電性高分子を用いた場合、ESRを非常に低くすることが可能である。固体電解コンデンサは、直流電源回路におけるノイズリダクション回路に用いられる場合があるが、ESRが小さいほど、リップル(交流成分)除去能力に優れ、ノイズリダクションの性能が上がるため、導電性高分子を用いた固体電解コンデンサはその付加価値が高いものとなる。 As the solid conductive film, manganese dioxide, a charge transfer complex, a conductive polymer, or the like is used. From the viewpoint of conductivity, organic conductive materials such as charge transfer complexes and conductive polymers are superior to manganese dioxide. By using a material with high conductivity, the value of equivalent series resistance (ESR), which is one of characteristic values of the solid electrolytic capacitor, can be lowered. In particular, when a conductive polymer having high conductivity such as polypyrrole or polythiophene is used, it is possible to make ESR very low. Solid electrolytic capacitors may be used in noise reduction circuits in DC power supply circuits. However, the smaller the ESR, the better the ripple (AC component) removal capability and the higher the noise reduction performance. Solid electrolytic capacitors have high added value.
導電性高分子を用いた固体電解コンデンサの製造方法としては、弁作用金属からなる陽極を陽極酸化してその表面に誘電体層を形成した後、たとえば、化学重合法により形成したポリピロール膜からなる第1導電性高分子層と、電解重合法により形成したポリピロールからなる第2導電性高分子層とを順に形成する方法が提案されている(特許文献1)。 As a method of manufacturing a solid electrolytic capacitor using a conductive polymer, an anode made of a valve metal is anodized to form a dielectric layer on the surface thereof, and then, for example, a polypyrrole film formed by a chemical polymerization method is used. There has been proposed a method of sequentially forming a first conductive polymer layer and a second conductive polymer layer made of polypyrrole formed by electrolytic polymerization (Patent Document 1).
また、tanδ及び漏れ電流特性を改善するため、誘電体層と導電性高分子層の間に、カップリング剤層及び界面活性剤層を形成することが提案されている(特許文献2)。また、リフロー工程における漏れ電流の増加を抑制することを目的として、誘電体層と導電性高分子層の間に、シランカップリング剤層及びポリスチレンスルホン酸層を形成することが提案されている(特許文献3)。 In order to improve tan δ and leakage current characteristics, it has been proposed to form a coupling agent layer and a surfactant layer between a dielectric layer and a conductive polymer layer (Patent Document 2). In addition, for the purpose of suppressing an increase in leakage current in the reflow process, it has been proposed to form a silane coupling agent layer and a polystyrene sulfonic acid layer between the dielectric layer and the conductive polymer layer ( Patent Document 3).
しかしながら、これらの従来技術では、ESRを十分に低減させることができなかった。
弁作用金属からなる陽極を陽極酸化することにより形成した誘電体層は、金属酸化物からなる無機系材料から形成されている。一方、導電性高分子層は有機系材料であるため、無機系材料と有機系材料の界面においては、各材料が有する表面エネルギーの差などに起因する付着力の弱さのため、剥離を生じやすく、信頼性の面で問題がある。また、固体電解コンデンサにおいては、容量を高めるため、多孔質の金属焼結体あるいは金属箔を陽極として用いており、誘電体層上に形成する導電性高分子層は、この多孔質金属焼結体の内部の奥深くまで形成する必要がある。しかしながら、誘電体層に対する導電性高分子の濡れが悪い場合には、多孔質金属焼結体内部の奥深くまで導電性高分子層を均一に形成することができず、ESRを十分に低減することができない。 The dielectric layer formed by anodizing an anode made of a valve metal is made of an inorganic material made of a metal oxide. On the other hand, since the conductive polymer layer is an organic material, peeling occurs at the interface between the inorganic material and the organic material due to weak adhesion due to the difference in surface energy of each material. It is easy and has problems in reliability. In addition, in a solid electrolytic capacitor, a porous metal sintered body or a metal foil is used as an anode in order to increase the capacity, and the conductive polymer layer formed on the dielectric layer is the porous metal sintered body. It is necessary to form deep inside the body. However, when the conductive polymer is poorly wetted with respect to the dielectric layer, the conductive polymer layer cannot be uniformly formed deep inside the porous metal sintered body, and the ESR is sufficiently reduced. I can't.
本発明の目的は、導電性に優れた導電性高分子層が基材上に均一に形成された電子デバイス及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an electronic device in which a conductive polymer layer having excellent conductivity is uniformly formed on a substrate, and a method for manufacturing the same.
本発明は、少なくとも表面が金属酸化物から形成されている基材と、基材上に設けられる導電性高分子層と、基材及び導電性高分子層の間に設けられる薄膜層とを備え、薄膜層が、導電性高分子層と相互作用するスルホン酸基を有し、かつ基材の表面と化学結合する化合物から形成されていることを特徴としている。 The present invention comprises a substrate having at least a surface formed of a metal oxide, a conductive polymer layer provided on the substrate, and a thin film layer provided between the substrate and the conductive polymer layer. The thin film layer has a sulfonic acid group that interacts with the conductive polymer layer and is formed of a compound that chemically bonds to the surface of the substrate.
本発明においては、基材上に薄膜層が形成されており、この薄膜層の上に導電性高分子層が形成されている。薄膜層は、導電性高分子と相互作用するスルホン酸基を有し、かつ基材の表面に化学結合する化合物から形成されている。このため、本発明によれば、導電性に優れた導電性高分子層を基材上に均一に形成することができる。 In the present invention, a thin film layer is formed on a substrate, and a conductive polymer layer is formed on the thin film layer. The thin film layer is formed of a compound having a sulfonic acid group that interacts with the conductive polymer and chemically bonding to the surface of the substrate. For this reason, according to this invention, the electroconductive polymer layer excellent in electroconductivity can be formed uniformly on a base material.
導電性に優れた導電性高分子層が基板上に均一に形成される理由として、以下のことが考えられる。 The following can be considered as the reason why the conductive polymer layer excellent in conductivity is uniformly formed on the substrate.
第1の理由として、基材表面と化学結合した化合物がスルホン酸基を有しており、このスルホン酸基が薄膜層の表面に存在しているため、導電性高分子の重合が起こりやすくなっていると考えられる。ポリピロールやポリチオフェンなどの導電性高分子は、主として酸化重合により重合する。薄膜層の表面にスルホン酸基が存在することにより、より酸化性が高くなるため、薄膜層の表面において導電性高分子が形成されやすくなると考えられる。 The first reason is that the compound chemically bonded to the substrate surface has a sulfonic acid group, and this sulfonic acid group is present on the surface of the thin film layer, so that polymerization of the conductive polymer is likely to occur. It is thought that. Conductive polymers such as polypyrrole and polythiophene are polymerized mainly by oxidative polymerization. It is considered that the presence of a sulfonic acid group on the surface of the thin film layer increases the oxidizability, so that a conductive polymer is easily formed on the surface of the thin film layer.
第2の理由として、導電性高分子層が、スルホン酸基と、クーロン力による結合などの相互作用をしているためであると考えられる。ポリピロールやポリチオフェンなどの導電性高分子は、ドナー性が強く、電子が抜けやすいため、プラスに帯電しやすい。一方、スルホン酸基はプロトンを放出することによりマイナスに帯電しやすい。このため、スルホン酸基と導電性高分子とはクーロン力で結合していると考えられる。このため、薄膜層が存在することにより、導電性高分子層を基材上に均一に、かつ密着性良く形成することができる。 A second reason is considered to be that the conductive polymer layer interacts with the sulfonic acid group, such as bonding by Coulomb force. Conductive polymers such as polypyrrole and polythiophene have a strong donor property and easily escape electrons, and thus are easily charged positively. On the other hand, sulfonic acid groups tend to be negatively charged by releasing protons. For this reason, it is considered that the sulfonic acid group and the conductive polymer are bonded by Coulomb force. Therefore, the presence of the thin film layer makes it possible to form the conductive polymer layer uniformly on the substrate with good adhesion.
第3の理由として、導電性高分子層にスルホン酸基がドーパント的に相互作用することにより、導電性高分子層の導電率が向上していると考えられる。導電性高分子は、スルホン酸やハロゲン等のドーパントをドープすることにより、優れた導電性を発揮させることができる。従って、薄膜層の表面に存在するスルホン酸基により、その表面上に形成される導電性高分子層の導電率が高められるものと考えられる。このため、導電性に優れた導電性高分子層を基材上に均一に形成することができると思われる。 As a third reason, it is considered that the conductivity of the conductive polymer layer is improved by the interaction of the sulfonic acid group with the dopant in the conductive polymer layer as a dopant. The conductive polymer can exhibit excellent conductivity by doping with a dopant such as sulfonic acid or halogen. Therefore, it is considered that the conductivity of the conductive polymer layer formed on the surface of the thin film layer is increased by the sulfonic acid group present on the surface. For this reason, it seems that the conductive polymer layer excellent in electroconductivity can be formed uniformly on a base material.
本発明の薄膜層を形成する化合物は、スルホン酸基がフェニル基に結合している化合物であることが好ましい。 The compound forming the thin film layer of the present invention is preferably a compound in which a sulfonic acid group is bonded to a phenyl group.
また、本発明の薄膜層を形成する化合物は、基材の表面と化学結合する反応基として、シラノール基を加水分解等により生じるものであることが好ましく、例えば、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリクロロシランなどのシラン含有基を含むことが好ましい。シラノール基が基材表面の金属酸化物と反応することにより、基材表面に化学結合していることが好ましい。 In addition, the compound forming the thin film layer of the present invention is preferably a compound generated by hydrolysis or the like of a silanol group as a reactive group that chemically bonds to the surface of the substrate. For example, trimethoxysilane, triethoxysilane, It preferably contains a silane-containing group such as trichlorosilane. It is preferable that the silanol group is chemically bonded to the substrate surface by reacting with the metal oxide on the substrate surface.
本発明における薄膜層を形成する化合物としては、例えば、アミノ基を有するシランカップリング剤と、カルボン酸基及びスルホン酸基を有するスルホン酸化合物とを反応させることにより形成されるものが挙げられる。この場合、シランカップリング剤を基材表面と反応させて化学結合させた後、シランカップリング剤のアミノ基にスルホン酸化合物のカルボン酸基を反応させることにより薄膜層を形成することができる。 As a compound which forms the thin film layer in this invention, what is formed by making the silane coupling agent which has an amino group react with the sulfonic acid compound which has a carboxylic acid group and a sulfonic acid group is mentioned, for example. In this case, the thin film layer can be formed by reacting the silane coupling agent with the substrate surface for chemical bonding and then reacting the carboxylic acid group of the sulfonic acid compound with the amino group of the silane coupling agent.
薄膜層を形成する化合物の他の例としては、オキシラン基を有するシランカップリング剤と、アミノ基及びスルホン酸基を有するスルホン酸化合物とを反応させることにより形成されるものが挙げられる。この場合、シランカップリング剤を基材表面と反応させて化学結合させた後、シランカップリング剤のオキシラン基にスルホン酸化合物のカルボン酸基を反応させることにより薄膜層を形成することができる。 Other examples of the compound that forms the thin film layer include those formed by reacting a silane coupling agent having an oxirane group with a sulfonic acid compound having an amino group and a sulfonic acid group. In this case, the thin film layer can be formed by reacting the silane coupling agent with the substrate surface to cause chemical bonding and then reacting the oxirane group of the silane coupling agent with the carboxylic acid group of the sulfonic acid compound.
以上のように、薄膜層を形成する化合物は、第1の官能基を有するシランカップリング剤と、第1の官能基と反応する第2の官能基及びスルホン酸基を有するスルホン酸化合物とを反応させることにより形成することができる。 As described above, the compound that forms the thin film layer includes the silane coupling agent having the first functional group, the second functional group that reacts with the first functional group, and the sulfonic acid compound having the sulfonic acid group. It can be formed by reacting.
上記の具体的な化合物においては、シランカップリング剤とスルホン酸化合物とを反応させて、薄膜層を形成する化合物を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、基材表面と反応する官能基とスルホン酸基とを有する化合物を用いて、1段階の反応で基材の表面上に薄膜層を形成してもよい。 In the above specific compound, a silane coupling agent and a sulfonic acid compound are reacted to form a compound that forms a thin film layer, but the present invention is not limited to this, for example, A thin film layer may be formed on the surface of the substrate by a one-step reaction using a compound having a functional group that reacts with the substrate surface and a sulfonic acid group.
本発明において、基材は多孔質であってもよい。このような多孔質基材としては、例えば、固体電解コンデンサにおいて陽極として用いられる弁作用金属またはその合金の粒子を焼結した焼結体や、弁作用金属またはその合金からなる金属箔の表面をエッチングなどにより粗面化したものなどが挙げられる。 In the present invention, the substrate may be porous. As such a porous substrate, for example, a sintered body obtained by sintering particles of a valve action metal or an alloy thereof used as an anode in a solid electrolytic capacitor, or a metal foil surface made of the valve action metal or an alloy thereof is used. Examples thereof include those roughened by etching or the like.
従って、本発明の電子デバイスとしては、例えば、固体電解コンデンサが挙げられる。本発明の電子デバイスとしての固体電解コンデンサは、多孔質基材からなる陽極と、基材表面の金属酸化物からなる誘電体層と、誘電体上に設けられる薄膜層と、薄膜層の上に設けられる導電性高分子層と、導電性高分子層の上に設けられる陰極とを備えることを特徴としている。 Accordingly, examples of the electronic device of the present invention include a solid electrolytic capacitor. A solid electrolytic capacitor as an electronic device of the present invention includes an anode made of a porous substrate, a dielectric layer made of a metal oxide on the surface of the substrate, a thin film layer provided on the dielectric, and a thin film layer It is characterized by comprising a conductive polymer layer provided and a cathode provided on the conductive polymer layer.
陽極を形成する弁作用金属としては、タンタル、ニオブ、アルミニウム、チタンなどが挙げられる。また、これらの合金としては、これらの弁作用金属の少なくとも1種を50重量%以上含む合金が挙げられる。 Examples of the valve metal that forms the anode include tantalum, niobium, aluminum, and titanium. Moreover, as these alloys, the alloy containing 50 weight% or more of at least 1 sort (s) of these valve action metals is mentioned.
陽極表面に形成する誘電体層は、弁作用金属またはその合金からなる多孔質焼結体の表面を、例えば、陽極酸化することにより形成することができる。 The dielectric layer formed on the anode surface can be formed by, for example, anodizing the surface of a porous sintered body made of a valve metal or an alloy thereof.
誘電体層上に形成する薄膜層は、上記と同様にして、シランカップリング剤及びスルホン酸化合物を反応させることなどにより形成することができる。 The thin film layer formed on the dielectric layer can be formed by reacting a silane coupling agent and a sulfonic acid compound in the same manner as described above.
導電性高分子層は、上述のように、ポリピロールやポリチオフェンなどから形成することができる。 As described above, the conductive polymer layer can be formed from polypyrrole, polythiophene, or the like.
陰極は、カーボン層及び銀ペースト等を順次塗布して形成することができる。 The cathode can be formed by sequentially applying a carbon layer and a silver paste.
本発明の製造方法は、上記本発明の電子デバイスを製造することができる方法であり、基材上に薄膜層を形成する工程と、薄膜層の上に導電性高分子層を構成するモノマーを供給し重合させて導電性高分子層を形成する工程とを備えることを特徴としている。 The production method of the present invention is a method by which the electronic device of the present invention can be produced, and includes a step of forming a thin film layer on a substrate, and a monomer constituting the conductive polymer layer on the thin film layer. And a step of forming a conductive polymer layer by supplying and polymerizing the conductive polymer layer.
本発明の製造方法によれば、導電性に優れた導電性高分子層を基材の上に均一に形成することができる。 According to the production method of the present invention, a conductive polymer layer having excellent conductivity can be formed uniformly on a substrate.
導電性高分子層を構成するモノマーとしては、例えば、ピロール環またはチオフェン環を有するモノマーが挙げられる。従って、このようなモノマーから形成される導電性高分子として、ポリピロール及びポリチオフェン等が挙げられる。 As a monomer which comprises a conductive polymer layer, the monomer which has a pyrrole ring or a thiophen ring is mentioned, for example. Therefore, examples of the conductive polymer formed from such a monomer include polypyrrole and polythiophene.
また、薄膜層の上にモノマーを供給する際、モノマーと重合剤を共に供給し、重合させてもよい。このような重合剤としては、例えば、酸化重合を促進する酸化剤が挙げられる。 Moreover, when supplying a monomer on a thin film layer, you may polymerize by supplying both a monomer and a polymerization agent. Examples of such a polymerization agent include an oxidant that promotes oxidative polymerization.
また、上述のように、第1官能基を有するシランカップリング剤と、第1官能基と反応する第2官能基及びスルホン酸基を有するスルホン酸化合物とを反応さて薄膜層を形成する場合、シランカップリング剤を基材表面と反応させて化学結合させた後、シランカップリング剤の第1官能基にスルホン酸化合物の第2官能基を反応させて薄膜層を形成することができる。 Further, as described above, when a silane coupling agent having a first functional group and a sulfonic acid compound having a second functional group and a sulfonic acid group that react with the first functional group are reacted to form a thin film layer, After reacting the silane coupling agent with the substrate surface to cause chemical bonding, the second functional group of the sulfonic acid compound can be reacted with the first functional group of the silane coupling agent to form a thin film layer.
本発明の電子デバイスは、固体電解コンデンサに限定されるものではなく、有機EL素子、有機太陽電池、有機トランジスタ、タッチパネルなどにも適用されるものである。 The electronic device of the present invention is not limited to a solid electrolytic capacitor, but can be applied to an organic EL element, an organic solar cell, an organic transistor, a touch panel, and the like.
本発明によれば、例えば、導電率が10S/cm以上の高い導電率を有する導電性高分子層を形成することができる。 According to the present invention, for example, a conductive polymer layer having a high conductivity of 10 S / cm or more can be formed.
本発明によれば、導電性に優れた導電性高分子層が基材上に均一に形成された電子デバイスとすることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be set as the electronic device by which the conductive polymer layer excellent in electroconductivity was uniformly formed on the base material.
本発明の製造方法によれば、導電性に優れた導電性高分子層を基材上に均一に形成することができる。例えば、本発明を固体電解コンデンサに適用することにより、静電容量を向上することができ、ESRを低減することができる。 According to the production method of the present invention, a conductive polymer layer excellent in conductivity can be uniformly formed on a substrate. For example, by applying the present invention to a solid electrolytic capacitor, electrostatic capacity can be improved and ESR can be reduced.
以下、本発明を具体的な実施形態により説明するが、本発明は以下の実施形態により限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific embodiments, but the present invention is not limited to the following embodiments.
図1は、本発明に従う一実施形態の電子デバイスである固体電解コンデンサの概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid electrolytic capacitor which is an electronic device according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、固体電解コンデンサ10においては、陽極1の表面に、誘電体層2、薄膜層9、導電性高分子層3、カーボン層4a、及び銀ペースト層4bが順に形成されている。陽極1は、多孔質焼結体から形成されている。
As shown in FIG. 1, in the solid
カーボン層4a及び銀ペースト層4bから陰極4が構成されている。銀ペースト層4bには、導電性接着剤層5を介して陰極端子6が接続されている。陰極1の中心部には陽極リード1aが接続されており、陽極リード1aは、陽極端子7に接続されている。陽極端子7及び陰極端子6の端部が、外部に引き出されるように、モールド外装樹脂8が形成されている。
A
陽極1は、弁作用金属または合金の多孔質焼結体から形成されており、誘電体層2は、この多孔質焼結体の表面を、陽極酸化等により酸化することにより形成されている。
The
図2は、陽極1の表面を示す拡大断面図であり、図3は、さらに拡大した断面図である。図2及び図3に示すように、多孔質体である陽極1の表面には、誘電体層2が形成されており、誘電体層2の上に薄膜層9が形成され、薄膜層9の上に導電性高分子層3が形成されている。導電性高分子層3は、ポリピロール、ポリチオフェン等の導電性高分子から形成されている。カーボン層4aは、カーボンペーストを塗布することにより形成されており、銀ペースト層4bは、銀粒子及び有機溶剤等を含有する銀ペーストを塗布することにより形成されている。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the surface of the
薄膜層9は、上述のように、シランカップリング剤とスルホン酸の反応により形成することができる。例えば、誘電体層2を形成した陽極1を、シランカップリング剤の希釈溶液中に含浸し、誘電体層2の上にシランカップリング剤を付着させることができる。余剰のシランカップリング剤を除去するため、含浸させて付着させた後、溶剤で陽極1の表面を洗浄してもよい。含浸させて付着させる方法に代えて、密閉容器内でシランカップリング剤を揮発させ、気相中で陽極1の誘電体層2の表面にシランカップリング剤を付着させてもよい。
As described above, the
シランカップリング剤を付着させた後、スルホン酸を溶解した溶液中に陽極1を浸漬し、さらにスルホン酸を付着させ、カップリング剤の第1官能基とスルホン酸の第2官能基とを反応させて結合する。余剰のスルホン酸を除去するため、溶剤等で洗浄してもよい。
After attaching the silane coupling agent, the
以上のようにして誘電体層2の上に薄膜層9を形成した後、例えば、重合用酸化剤の溶液中に浸漬させて、表面に重合用酸化剤を付着させ、その後、気相あるいは液相にて、ピロールやチオフェンなどの導電性高分子のモノマーを供給し、薄膜層9の表面上でポリマーを重合して導電性高分子層3を形成する。必要に応じて、水あるいは有機溶剤等で余剰のモノマーを洗浄した後、上述のようにカーボン層4a及び銀ペースト層4bを、陽極1の外周面上に塗布して形成する。
After the
薄膜層9を、アミノ基を有するシランカップリング剤と、カルボン酸基及びスルホン酸基を有するスルホン酸化合物との反応から形成する場合、以下の化1に示す反応で、基材である陽極1の上に薄膜層9を形成することができる。この場合、例えば、1−〔3−(ジメチルアミノ)プロピル〕−3−エチルカルボジイミド塩酸塩などを用いて、シランカップリング剤とスルホン酸化合物(例えばスルホ安息香酸)との反応を促進させることができる。シランカップリング剤及びスルホン酸化合物の溶液を調製するための溶剤としては、例えば、水、アルコール、アセトン、トルエンあるいはヘキサン等を用いることができる。また、希釈濃度としては、1〜8重量%程度とするのが一般的である。
When the
または、オキシラン基を有するシランカップリング剤と、アミノ基及びスルホン基を有するスルホン酸化合物(例えばスルファニル酸)とを反応させる場合、以下に示す化2の反応により薄膜層を形成することができる。なお、溶液は上記と同様の溶剤及び希釈濃度とすることができる。
Alternatively, when a silane coupling agent having an oxirane group is reacted with a sulfonic acid compound having an amino group and a sulfone group (for example, sulfanilic acid), a thin film layer can be formed by the reaction of
<固体電解コンデンサ>
以下、本発明の電子デバイスとしての固体電解コンデンサの実施例について説明する。
<Solid electrolytic capacitor>
Examples of solid electrolytic capacitors as electronic devices of the present invention will be described below.
(実施例1)
本実施例においては、上記の化1に示す反応により薄膜層を形成した。まず、タンタルワイヤー上に金属タンタル粉体を焼結させて、多孔質のタンタル焼結体(幅3.2mm×高さ4.4mm×厚み0.95mm)を作製した。この多孔質焼結体を、リン酸水溶液中で陽極酸化し、その表面に誘電体層である酸化タンタル層を約60nmの厚みで形成した。
Example 1
In this example, a thin film layer was formed by the reaction shown in
次に、3−アミノプロピルトリメトキシシラン20μlを2mlのトルエンに希釈し、この溶液と、陽極酸化したタンタル焼結体とを、密閉した容器内に入れた後、シランカップリング剤溶液を100℃で60分間加熱して揮発させ、誘電体層の表面上にシランカップリング剤を付着させた。 Next, 20 μl of 3-aminopropyltrimethoxysilane was diluted in 2 ml of toluene, and this solution and the anodized tantalum sintered body were placed in a sealed container, and then the silane coupling agent solution was heated to 100 ° C. For 60 minutes to volatilize and deposit a silane coupling agent on the surface of the dielectric layer.
次に、p−スルホ安息香酸と、1−〔3−(ジメチルアミノ)プロピル〕−3−エチルカルボジイミド塩酸塩の水溶液(いずれも2重量%の濃度)に、上記焼結体を浸漬させた。これにより、シランカップリング剤のアミノ基に、p−スルホ安息香酸のカルボン酸基を反応させ、焼結体の表面上に薄膜層を形成した。なお、焼結体は多孔質体であるので、その内部の表面上にも薄膜層が形成されている。 Next, the sintered body was immersed in an aqueous solution of p-sulfobenzoic acid and 1- [3- (dimethylamino) propyl] -3-ethylcarbodiimide hydrochloride (both concentrations were 2% by weight). As a result, the amino group of the silane coupling agent was reacted with the carboxylic acid group of p-sulfobenzoic acid to form a thin film layer on the surface of the sintered body. Since the sintered body is a porous body, a thin film layer is also formed on the inner surface.
次に、焼結体を酸化剤(希硫酸)の水溶液中に浸漬した後引き上げて乾燥し、その表面上に酸化剤を付着させた。次に、化学重合によりポリピロールの薄膜を形成した。さらに、このようにして形成したポリピロールの重合膜を陽極として、ポリピロールとドデシルベンゼンスルホン酸を含む水溶液中で電解重合を行い、ポリピロール膜を形成した。これにより、ポリピロールからなる導電性高分子層を薄膜層の上に形成した。 Next, the sintered body was dipped in an aqueous solution of an oxidizing agent (dilute sulfuric acid), then pulled up and dried, and an oxidizing agent was adhered on the surface thereof. Next, a thin film of polypyrrole was formed by chemical polymerization. Furthermore, electrolytic polymerization was performed in an aqueous solution containing polypyrrole and dodecylbenzenesulfonic acid using the polymer film of polypyrrole thus formed as an anode to form a polypyrrole film. As a result, a conductive polymer layer made of polypyrrole was formed on the thin film layer.
電解重合後、乾燥し、焼結体の外周面の上にカーボンペーストを塗布した。その後乾燥しカーボン層を形成した。さらに、カーボン層の上に銀ペーストを塗布した後乾燥し、銀ペースト層を形成して、陰極を完成した。 After the electrolytic polymerization, it was dried and a carbon paste was applied on the outer peripheral surface of the sintered body. Thereafter, it was dried to form a carbon layer. Further, a silver paste was applied on the carbon layer and then dried to form a silver paste layer, thereby completing the cathode.
得られたコンデンサ素子について、静電容量とESRを測定した。静電容量は530μFであり、ESRは7.0mΩであった。 The obtained capacitor element was measured for capacitance and ESR. The capacitance was 530 μF and the ESR was 7.0 mΩ.
〔導電性高分子層の導電率の測定〕
導電性高分子層の導電率を測定するため、タンタルの焼結体に代えてガラス基板の上に、上記と同様にして導電性高分子層を形成し、導電率を測定した。
[Measurement of conductivity of conductive polymer layer]
In order to measure the conductivity of the conductive polymer layer, a conductive polymer layer was formed in the same manner as described above on a glass substrate instead of the tantalum sintered body, and the conductivity was measured.
具体的には、洗浄したガラス基板(幅33mm×高さ33mm×厚み0.9mm)を用い、上記と同様にしてガラス基板上に薄膜層を形成し、その上に化学重合及び電解重合によりポリピロール膜を形成した。電解重合を2時間行った結果、15μmの厚みのポリピロール膜が形成された。 Specifically, using a cleaned glass substrate (width 33 mm × height 33 mm × thickness 0.9 mm), a thin film layer is formed on the glass substrate in the same manner as described above, and then polypyrrole is formed thereon by chemical polymerization and electrolytic polymerization. A film was formed. As a result of performing electropolymerization for 2 hours, a polypyrrole film having a thickness of 15 μm was formed.
形成したポリピロール膜について、導電率測定装置により導電率を測定した。導電率は20S/cmであった。 About the formed polypyrrole film | membrane, the electrical conductivity was measured with the electrical conductivity measuring apparatus. The conductivity was 20 S / cm.
また、得られたポリピロール膜を光学顕微鏡で観察したところ、非常に均一性の高い膜が形成されていることが確認された。 Moreover, when the obtained polypyrrole film | membrane was observed with the optical microscope, it was confirmed that the film | membrane with very high uniformity is formed.
(実施例2)
本実施例においては、上記の化2に示す反応により薄膜層を形成した。まず、タンタルワイヤー上に金属タンタル粉体を焼結させて、多孔質のタンタル焼結体(幅3.2mm×高さ4.4mm×厚み0.95mm)を作製した。この多孔質焼結体を、リン酸水溶液中で陽極酸化し、その表面に誘電体層である酸化タンタル層を約60nmの厚みで形成した。
(Example 2)
In this example, a thin film layer was formed by the reaction shown in
次に、3−グリシリジルオキシプロピルトリメトキシシラン1mlを100mlのトルエンに希釈し、この溶液に、陽極酸化したタンタル焼結体を浸漬し、室温で60分間放置した。その後溶液から焼結体を引き上げて乾燥させ、誘電体層の表面にシランカップリング剤を付着させた。 Next, 1 ml of 3-glycyridyloxypropyltrimethoxysilane was diluted in 100 ml of toluene, and the anodized tantalum sintered body was immersed in this solution and allowed to stand at room temperature for 60 minutes. Thereafter, the sintered body was pulled up from the solution and dried, and a silane coupling agent was adhered to the surface of the dielectric layer.
次に、スルファニル酸の2重量%水溶液中に、焼結体を浸漬し、50℃に加熱して、シランカップリング剤のオキシラン基と、スルファニル酸のアミン基とを反応させ、焼結体の表面上に薄膜層を形成した。なお、焼結体は多孔質体であるので、その内部の表面上にも薄膜層が形成されている。 Next, the sintered body is immersed in a 2% by weight aqueous solution of sulfanilic acid and heated to 50 ° C. to cause the oxirane group of the silane coupling agent to react with the amine group of sulfanilic acid. A thin film layer was formed on the surface. Since the sintered body is a porous body, a thin film layer is also formed on the inner surface.
次に、焼結体を酸化剤(希硫酸)の水溶液中に浸漬した後引き上げて乾燥し、その表面上に酸化剤を付着させた。次に、化学重合によりポリピロールの薄膜を形成した。さらに、このようにして形成したポリピロールの重合膜を陽極として、ポリピロールとドデシルベンゼンスルホン酸を含む水溶液中で電解重合を行い、ポリピロール膜を形成した。これにより、ポリピロールからなる導電性高分子層を薄膜層の上に形成した。 Next, the sintered body was dipped in an aqueous solution of an oxidizing agent (dilute sulfuric acid), then pulled up and dried, and an oxidizing agent was adhered on the surface thereof. Next, a thin film of polypyrrole was formed by chemical polymerization. Furthermore, electrolytic polymerization was performed in an aqueous solution containing polypyrrole and dodecylbenzenesulfonic acid using the polymer film of polypyrrole thus formed as an anode to form a polypyrrole film. As a result, a conductive polymer layer made of polypyrrole was formed on the thin film layer.
電解重合後、乾燥した後、焼結体の外周面の上にカーボンペーストを塗布した後乾燥しカーボン層を形成した。さらに、カーボン層の上に銀ペーストを塗布した後乾燥し銀ペースト層を形成して、陰極を完成した。 After the electrolytic polymerization, it was dried, and then a carbon paste was applied on the outer peripheral surface of the sintered body and then dried to form a carbon layer. Further, a silver paste was applied on the carbon layer and then dried to form a silver paste layer, thereby completing the cathode.
得られたコンデンサ素子について、静電容量とESRを測定した。静電容量は510μFであり、ESRは7.2mΩであった。 The obtained capacitor element was measured for capacitance and ESR. The capacitance was 510 μF and the ESR was 7.2 mΩ.
〔導電性高分子層の導電率の測定〕
導電性高分子層の導電率を測定するため、タンタルの焼結体に代えてガラス基板の上に上記と同様にして導電性高分子層を形成し、導電率を測定した。
[Measurement of conductivity of conductive polymer layer]
In order to measure the conductivity of the conductive polymer layer, a conductive polymer layer was formed on the glass substrate in the same manner as described above instead of the tantalum sintered body, and the conductivity was measured.
具体的には、洗浄したガラス基板(幅33mm×高さ33mm×厚み0.9mm)を用い、上記と同様にしてガラス基板上に薄膜層を形成し、その上に、化学重合及び電解重合によりポリピロール膜を形成した。電解重合を2時間行った結果、15μmの厚みのポリピロール膜が形成された。 Specifically, using a cleaned glass substrate (width 33 mm × height 33 mm × thickness 0.9 mm), a thin film layer is formed on the glass substrate in the same manner as described above, and then chemical polymerization and electrolytic polymerization are performed thereon. A polypyrrole film was formed. As a result of performing electropolymerization for 2 hours, a polypyrrole film having a thickness of 15 μm was formed.
形成したポリピロール膜について、導電率測定装置により導電率を測定した。導電率は18S/cmであった。 About the formed polypyrrole film | membrane, the electrical conductivity was measured with the electrical conductivity measuring apparatus. The conductivity was 18 S / cm.
また、得られたポリピロール膜を光学顕微鏡で観察したところ、非常に均一性の高い膜が形成されていることが確認された。 Moreover, when the obtained polypyrrole film | membrane was observed with the optical microscope, it was confirmed that the film | membrane with very high uniformity is formed.
(比較例1)
実施例1において、陽極酸化して誘電体層を形成した後、薄膜層を形成せずにポリピロール膜を形成した。それ以外は実施例1と同様にしてコンデンサ素子を測定し、静電容量及びESRを測定した。静電容量は480μFであり、ESRは7.5mΩであった。
(Comparative Example 1)
In Example 1, after forming a dielectric layer by anodic oxidation, a polypyrrole film was formed without forming a thin film layer. Otherwise, the capacitor element was measured in the same manner as in Example 1, and the capacitance and ESR were measured. The capacitance was 480 μF and the ESR was 7.5 mΩ.
〔導電性高分子層の導電率の測定〕
洗浄したガラス基板(幅33mm×高さ33mm×厚み0.9mm)を用い、この上に比較例1と同様にして薄膜層を形成せずにポリピロール膜を形成した。電解重合を2時間行った結果、厚み15μmのポリピロール膜が形成された。
[Measurement of conductivity of conductive polymer layer]
A cleaned glass substrate (width 33 mm × height 33 mm × thickness 0.9 mm) was used, and a polypyrrole film was formed thereon without forming a thin film layer in the same manner as in Comparative Example 1. As a result of performing electropolymerization for 2 hours, a polypyrrole film having a thickness of 15 μm was formed.
このポリピロール膜の導電率を測定したところ、11S/cmであった。 It was 11 S / cm when the electrical conductivity of this polypyrrole film | membrane was measured.
また、得られた導電性高分子層を光学顕微鏡で観察したところ、立体的な隆起部分がところどころに認められ、実施例1及び実施例2に比べ、ポリピロール膜の平坦性及び均一性が劣っていた。 Moreover, when the obtained conductive polymer layer was observed with an optical microscope, a three-dimensional raised portion was observed in some places, and the flatness and uniformity of the polypyrrole film were inferior to those of Examples 1 and 2. It was.
(比較例2)
〔導電性高分子層の導電率の測定〕
電解重合におけるドーパント剤として、ドデシルベンゼンスルホン酸の代わりに、p−トルエンスルホン酸を用いる以外は、上記の比較例1の〔導電性高分子層の導電率の測定〕と同様にして、洗浄したガラス基板の上にポリピロール膜を形成した。電解重合を2時間行った結果、厚み15μmのポリピロール膜が形成された。
(Comparative Example 2)
[Measurement of conductivity of conductive polymer layer]
Washing was conducted in the same manner as in [Measurement of conductivity of conductive polymer layer] in Comparative Example 1 except that p-toluenesulfonic acid was used instead of dodecylbenzenesulfonic acid as a dopant agent in electrolytic polymerization. A polypyrrole film was formed on a glass substrate. As a result of performing electropolymerization for 2 hours, a polypyrrole film having a thickness of 15 μm was formed.
得られたポリピロール膜について導電率を測定したところ、10S/cmであった。 When the electrical conductivity of the obtained polypyrrole film was measured, it was 10 S / cm.
また、光学顕微鏡により観察したところ、このポリピロール膜は、平坦性及び均一性においてやや劣っていた。 Moreover, when observed with an optical microscope, this polypyrrole film was slightly inferior in flatness and uniformity.
以上の結果から明らかなように、本発明に従い、基材上に薄膜層を形成し、この薄膜層の上に導電性高分子層を形成することにより、導電性に優れた導電性高分子層を均一に形成することができる。従って、固体電解コンデンサに用いた場合、上記のように、静電容量を増加させることができ、ESRを低減させることができる。 As is clear from the above results, according to the present invention, a conductive polymer layer excellent in conductivity is formed by forming a thin film layer on a substrate and forming a conductive polymer layer on the thin film layer. Can be formed uniformly. Therefore, when used in a solid electrolytic capacitor, as described above, the capacitance can be increased and the ESR can be reduced.
<有機太陽電池>
(実施例3)
本実施例では、本発明に従う電子デバイスとして、有機太陽電池を作製した。
<Organic solar cell>
(Example 3)
In this example, an organic solar cell was produced as an electronic device according to the present invention.
図4は、本実施例において作製した有機太陽電池を示す断面図である。図4に示すように、基板11の上に、透明電極12が形成されており、透明電極12の上に、本発明の薄膜層が形成されている。薄膜層13の上に、本発明の導電性高分子層であるホール輸送層14が形成されている。ホール輸送層14の上には、活性層15が形成されており、活性層15の上には電子輸送層16が形成されている。電子輸送層16の上には、上部電極17が形成されている。本発明の有機太陽電池は、具体的には以下のようにして作製した。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an organic solar cell produced in this example. As shown in FIG. 4, the
基板11として、ガラス基板を用い、ガラス基板上に透明電極12として、インジウム錫酸化物(ITO)が形成されたものを用いた。3−アミノプロピルトリメトキシシラン1mlを100mlのトルエンに希釈した溶液を調製し、この溶液と、透明電極12が形成された基板11とを密閉した容器に入れ、シランカップリング剤溶液を100℃で60分間加熱して揮発させ、透明電極12の表面にシランカップリング剤を付着させた。
A glass substrate was used as the
次に、p−スルホ安息香酸と、1−〔3−(ジメチルアミノ)プロピル〕−3−エチルカルボジイミド塩酸塩の混合水溶液(それぞれ5重量%)を、シランカップリング剤を付着させた基板の上にスピンコートし、シランカップリング剤のアミノ基とp−スルホ安息香酸のカルボン酸基とを反応させて、薄膜層13を形成した。
Next, a mixed aqueous solution of p-sulfobenzoic acid and 1- [3- (dimethylamino) propyl] -3-ethylcarbodiimide hydrochloride (each 5% by weight) is placed on the substrate on which the silane coupling agent is attached. The
次に、この基板をp−トルエンスルホン酸鉄のアルコール溶液中に浸漬し、引き上げた後乾燥させた。次に、これをエチレンジオキシチオフェンの蒸気中に晒し、ホール輸送層14としてのポリエチレンジオキシチオフェンの薄膜を形成した。この薄膜に残留した薬剤を洗い流した後、110℃でホットプレート上で乾燥させた。
Next, this substrate was immersed in an alcohol solution of iron p-toluenesulfonate, pulled up and dried. Next, this was exposed to vapor of ethylenedioxythiophene to form a thin film of polyethylenedioxythiophene as the
次に、ホール輸送層14の上に、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)のo−ジクロロベンゼン溶液をスピンコートした後乾燥させ、活性層15を形成した。さらに活性層15の上に、C60フラーレン膜を真空蒸着により形成し、電子輸送層16を形成した。
Next, a poly (3-hexylthiophene) o-dichlorobenzene solution was spin-coated on the
電子輸送層16の上に、Al膜をシャドーマスクを用いて真空蒸着し、上部電極17を形成した。次に、ガラスキャップで封止し、有機太陽電池を完成した。
An Al film was vacuum-deposited on the
作製した有機太陽電池に、AM1.5(100mW/cm2)の疑似太陽光を照射したところ、開放電圧として500mVの起電力を得ることができた。薄膜層13を形成しない場合に比べ、高い起電力を得ることができた。
When the produced organic solar cell was irradiated with AM1.5 (100 mW / cm 2 ) pseudo-sunlight, an electromotive force of 500 mV could be obtained as an open voltage. Compared with the case where the
上記実施例においては、本発明の電子デバイスとして固体電解コンデンサ及び有機太陽電池を示したが、本発明の電子デバイスはこれらのものに限定されるものではなく、例えば、有機EL素子、有機トランジスタ、タッチパネルなどにも適用することができるものである。 In the above embodiment, the solid electrolytic capacitor and the organic solar battery are shown as the electronic device of the present invention. However, the electronic device of the present invention is not limited to these, for example, an organic EL element, an organic transistor, It can also be applied to a touch panel or the like.
1…陽極
1a…陽極リード
2…誘電体層
3…導電性高分子層
4…陰極
4a…カーボン層
4b…銀ペースト層
5…導電性接着剤層
6…陰極端子
7…陽極端子
8…モールド外装樹脂
9…薄膜層
10…固体電解コンデンサ
11…基板
12…透明電極
13…薄膜層
14…ホール輸送層
15…活性層
16…電子輸送層
17…上部電極
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記基材上に設けられる導電性高分子層と、
前記基材及び前記導電性高分子層の間に設けられる薄膜層とを備え、
前記薄膜層が、前記導電性高分子層と相互作用するスルホン酸基を有し、かつ前記基材の表面と化学結合する化合物から形成されていることを特徴とする電子デバイス。 A substrate having at least a surface formed of a metal oxide;
A conductive polymer layer provided on the substrate;
A thin film layer provided between the base material and the conductive polymer layer,
The electronic device, wherein the thin film layer has a sulfonic acid group that interacts with the conductive polymer layer, and is formed from a compound that chemically bonds to the surface of the substrate.
前記基材上に前記薄膜層を形成する工程と、
前記薄膜層の上に前記導電性高分子層を構成するモノマーを供給し重合させて前記導電性高分子層を形成する工程とを備えることを特徴とする電子デバイスの製造方法。 A method for manufacturing the electronic device according to any one of claims 1 to 6,
Forming the thin film layer on the substrate;
And a step of supplying the monomer constituting the conductive polymer layer on the thin film layer and polymerizing the monomer to form the conductive polymer layer.
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