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Title:
PRINTED FILM CAPACITOR WITH A SINTERED DIELECTRIC MATERIAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/228432
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a film capacitor formed by a film, wherein a layer made of a dielectric material is printed onto the film. The invention also relates to a method for producing a film capacitor of this type. According to the invention, the layer consists of a dielectric material or the dielectric material consists of a mixture of substances formed by particles of an inorganic ferroelectric material and by a binder and/or solvent, wherein the proportion of particles of an inorganic ferroelectric material is 20% to 60% of the total volume of the dielectric material layer, and the proportion of the binder and/or solvent is 40% to 80% of the total volume of the dielectric material layer, wherein the dielectric material is sintered.

Inventors:
BACHER ERWIN (DE)
MAYER KARLHEINZ (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/025170
Publication Date:
November 18, 2021
Filing Date:
May 05, 2021
Export Citation:
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Assignee:
GIESECKE DEVRIENT CURRENCY TECH GMBH (DE)
International Classes:
H01G4/18; H01G4/20; H01G4/12; H01G4/30; H01G4/32
Foreign References:
US20140254063A12014-09-11
DE102006017902A12007-10-25
JPS62283620A1987-12-09
JP2013182908A2013-09-12
DE1514012A11969-05-14
DE102019002801A12020-10-22
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Claims:
P a te nt a n s p r ü c h e

1. Folienkondensator aus mindestens einer Schicht aus einem Dielektri- kum, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einem Stoff gemisch aus Partikeln aus einem anorganischem Ferroelektrikum und aus einem Binde- und/ oder Lösemittel besteht, wobei der Anteil der Partikeln aus einem anorganischem Ferroelektrikum 20% bis 60% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt und der Anteil des Binde- und/ oder Lösemittels 40% bis 80% des Gesamtvolu mens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt, wobei das Dielektri kum gesintert ist.

2. Folienkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht aus einem Dielektrikum auf eine Folie auf ge druckt ist.

3. Folienkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus Polyethylen (PE), Polyetylenterephthalat (PET), Polyethylen- naphthalat (PEN), Polypropylen (PP), Polytetraflourethylen (PTFE), Po lystyrol (PS) oder Polycarbonat (PC) besteht.

4. Folienkondensator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine Transferfolie ist, die nur für die Herstellung des Die- lektrikums erforderlich ist und im fertigen Kondensator nicht mehr vor handen ist.

5. Folienkondensator nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus einem organischen Fer roelektrikum einen oder mehrere der folgenden Stoffe aufweisen: Kera miken aus der Gruppe der Titandioxide und Perowskite, Titandioxid, Magnesium-/ Calcium-/ Strontium-/ Barium-/ Zink-/ Zinn-titanate, Mag nesium-/ Calcium-/ Strontium-/ Barium-/ Zink-/ Zinn-zirkonate, Magne sium- / Calcium- / Strontium- / Barium- / Zink- / Zinn-niobate, Magnesium- / Calcium-/ Strontium-/ Barium-/ Zink-/ Zinn-tantalate.

6. Folienkondensator nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel mindestens einen oder mehrere der folgenden Stoffe aufweist: Thermoplastische Polymere, ins besondere Polyethylen, Polypropylen, Polyamide, Polyester, Polyac- rylate, Polymethacrylate, Polyvinylidendiflourid, Polyvinylalkohol, Po- ly vinylacetat, Polyvinylbutyral, Wachse, insbesondere Polyethylen wachs, Fischer-Tropsch-Wachs, Paraffin, Bienenwachs, Carnaubawachs, Anorganische Bindemittel, insbesondere Kieselsole/ -gele, Alkoxy Sili kate, Natron-/ Kaliwasserglas.

7. Folienkondensator nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösemittel mindestens einen oder mehrere der folgenden Stoffe aufweist: Alkohole, beispielsweise Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Ketone, beispielsweise Aceton, Methylethylke- ton, Ester, beispielsweise Ethyl-, Propyl-, Butylacetat, Glykolderivate, beispielsweise Butylglykol, Ethoxypropanol, Aromaten, beispielsweise Toluol, Xylol, Solventnaphtha.

8. Verfahren zur Herstellung eines Folienkondensators aus mindestens ei ner Schicht aus einem Dielektrikum, die auf eine Folie aufgedruckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum aus einem Stoffge misch aus Partikeln aus einem anorganischem Ferroelektrikum und aus einem Binde- und/ oder Lösemittel besteht, wobei der Anteil der Parti keln aus einem anorganischem Ferroelektrikum 20% bis 60% des Ge- samtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt und der An teil des Binde- und/ oder Lösemittels 40% bis 80% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt, wobei das Dielektrikum nach dem Aufdrucken auf die Folie gesintert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sin tern Lasersintern und/ oder Sintern mittels Intense Pulsed Light (IPL) und/ oder Sintern mittels Hochfrequenzwellen oder Mikrowellenstrah lung verwendet wird, wobei der Frequenzbereich des Hochfrequenz- bzw. Mikrowellensinterns bevorzugt 10 MHz bis 200 MHz bzw. 1 GHz bis 3 GHz beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus Polyethylen (PE), Polyetylenterephthalat (PET), Po- lyethylennaphthalat (PEN), Polypropylen (PP), Polytetraflourethylen (PTFE), Polystyrol (PS) oder Polycarbonat (PC) besteht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie durch eine Transferfolie gebildet wird, die nur für die Her stellung des Dielektrikums erforderlich ist und im fertigen Folienkon densator nicht mehr vorhanden ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus einem organischen Ferroelektrikum einen oder mehrere der folgenden Stoffe aufweisen: Keramiken aus der Gruppe der Titandioxide und Perowskite, Titandioxid, Magnesium-/ Calcium-

/ Strontium- / Barium- / Zink- / Zinn-titanate, Magnesium- / Calcium- / Strontium- / Barium- / Zink- / Zinn-zirkonate, Magnesium- / Calcium- / Strontium- / Barium- / Zink- / Zinn-niobate, Magnesium- / Calcium- / Strontium- / Barium- / Zink- / Zinn-tantalate. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel einen oder mehrere der folgenden Stoffe aufweist: Thermoplastische Polymere, insbesondere Polyethylen, Polypropylen, Polyamide, Polyester, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyvinyli- dendiflourid, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyvinylbutyral, Wachse, insbesondere Polyethylenwachs, Fischer-Tropsch-Wachs, Paraf fin, Bienenwachs, Carnaubawachs, Anorganische Bindemittel, insbeson dere Kieselsole/ -gele, Alkoxy Silikate, Natron-/Kaliwasserglas.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösemittel mindestens einen oder mehrere der folgenden Stoffe aufweist: Alkohole, beispielsweise Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Ke tone, beispielsweise Aceton, Methylethylketon, Ester, beispielsweise Ethyl-, Propyl-, Butylacetat, Glykolderivate, beispielsweise Butylglykol,

Ethoxypropanol, Aromaten, beispielsweise Toluol, Xylol, Solventnaph tha.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einem Dielektrikum mittels Offsetdruck, Flexodruck, Tiefdruck oder Siebdruck auf die Folie aufgedruckt wird.

Description:
Gedruckter Folienkondensator mit gesintertem Dielektrikum

Die Erfindung betrifft ein Folienkondensator aus einer Folie, wobei auf die Folie eine Schicht aus einem Dielektrikum auf gedruckt ist. Die Erfindung be trifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Folienkonden sators.

Hierzu ist beispielsweise aus DE 102019002801 Al ein Folienkondensator und ein Verfahren zur Herstellung des Folienkondensators aus einer ersten und einer zweiten Folie bekannt, wobei beide Folien jeweils eine relative Per- mittivität e r aufweisen und jeweils auf mindestens einer Seite mit einer Me tallschicht beschichtet bzw. bedampft werden. Mindestens eine Schicht aus einem Dielektrikum, das eine gegenüber der Permittivität e,-' der Folie höhere Permittivität e r aufweist, wird bevorzugt vollflächig zwischen den beiden Folien angeordnet, wobei die Schicht aus einem Dielektrikum entweder auf die Metallschicht einer oder beider Folien oder auf die unbeschichtete Seite einer oder beider Folien des Wickels, die der Metallisierung gegenüber liegt, aufgedruckt wird. Aufgabe der DE 102019002801 Al war es, die Kapazität von Folienkondensatoren zu erhöhen, bevorzugt um den Faktor von bis

10.000, um sie für neue technologische Aufgaben interessant zu machen und an diese anzupassen.

Es hat sich allerdings gezeigt, dass mit einem Gemisch aus etwa 95% organi- schem Ferroelektrikum und etwa 5% anorganischem Ferroelektrikum mit wesentlich höherer Permittivität e r nur eine resultierende Permittivität e r von etwa 20 erzielbar ist, was im Wesentlichen der Permittivität e r des organi schen Ferroelektrikums entspricht. Des Weiteren wird durch das organische Ferroelektrikum und gewisse Oberflächeneffekte zwischen den Nanoparti- kein der Verlustfaktor und die Feitfähigkeit unvorteilhaft erhöht. Der eigent- liehe Zielwert für die Erhöhung der Permittivität e r möglichst bei gleichzeiti ger Beibehaltung von Verlustfaktor und Leitfähigkeit konnte somit nicht er reicht werden. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Folienkondensator und ein Verfahren zur Herstellung dieses Folienkonden- sators derart weiterzubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik be hoben werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche ge löst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen An sprüche.

Erfindungsgemäß besteht die Schicht aus einem Dielektrikum bzw. das Die- lektrikum aus einem Stoffgemisch aus einem Stoffgemisch aus ParÜkeln aus einem anorganischem Ferroelektrikum und aus einem Binde- und/ oder Lö semittel, wobei der Anteil der ParÜkeln aus einem anorganischem Ferro elektrikum 20% bis 60% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielekt rikum beträgt und der Anteil des Binde- und/ oder Lösemittels 40% bis 80% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt, wobei das Dielektrikum gesintert ist. Die mindestens eine Schicht aus einem Dielektri kum ist besonders bevorzugt auf eine Folie als Trägermaterial aufgedruckt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derarti- gen Folienkondensators aus mindestens einer Schicht aus einem Dielektri kum, die auf eine Folie aufgedruckt wird, wobei das Dielektrikum aus einem Stoffgemisch aus Partikeln aus einem anorganischem Ferroelektrikum und aus einem Binde- und/ oder Lösemittel besteht, wobei der Anteil der Parti keln aus einem anorganischem Ferroelektrikum 20% bis 60% des Gesamtvo- lumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt und der Anteil des Binde- und/ oder Lösemitels 40% bis 80% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt, wobei das Dielektrikum nach dem Aufdru cken auf die Folie gesintert wird. Durch das Sintern wird das Binde- und/ oder Lösemitel des Dielektrikums größtenteils oder mindestens nahezu vollständig beseitigt und dadurch die resultierende Permittivität e r des verbleibenden Ferroelektrikums besonders vorteilhaft gegenüber dem ungesinterten Ausgangszustand erhöht. Aufgrund des empfindlichen Materials der Folien wird vor Allem im

Rolle/ Rolle-Prozess besonders bevorzugt Lasersintern und/ oder Sintern mitels des aus der Dermatologie bekannten Intense Pulsed Light (IPL) und/ oder Sintern mittels Hochfrequenzwellen oder Mikrowellenstrahlung verwendet, wobei eine selektive Erwärmung des Dielektrikums bzw. des Binde- und/ oder Lösemittels auf 200°C bis 400°C, bevorzugt auf 250°C bis

350°C erreicht wird. Die Temperatur der Trägerfolie soll während des Sin- terns bevorzugt unter 80°C bleiben, insbesondere um Beschädigungen der Trägerfolie zu vermeiden. Die Laserwellenlänge bzw. die Frequenz der Hochfrequenzwellen oder Mikrowellenstrahlung wird bevorzugt auf die spezifischen Absorptionseigenschaften des verwendeten Bindemitels einge stellt. Prinzipiell kommen bei Lasersintern alle Laserwellenlängen von Infra roten bis in den UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums in Frage, vorzugsweise UVA, IR oder auch der sichtbare Wellenlängenbereich, weil die Folien bzw. Trägerfolien in der Regel in diesem Bereich transparent sind. Hierbei wird eine Absorptionsbande eingestellt, die auf das jeweils verwen dete Material abgestimmt ist. Bei Sintern mit Mikrowellen erfolgt hingegen eine unspezifische Absorption durch die Dipoloszillation des jeweils ver wendeten Materials. Bevorzugt beträgt der Frequenzbereich des Hochfrequenz- bzw. Mikrowel- lensinterns sind 10 MHz bis 200 MHz bzw. 1 GHz bis 3 GHz.

Der Sinterprozess kann vor, während oder nach der Trocknung des gedruck ten Dielektrikums stattfinden, bevorzugt jedoch nach der Trocknung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bindemittel mindes tens einen oder mehrere der folgenden Stoffe auf:

• Thermoplastische Polymere, insbesondere Polyethylen, Polypropylen, Polyamide, Polyester, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyvinyli- dendiflourid, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyvinylbutyral,

• Wachse, insbesondere Polyethylenwachs, Fischer-Tropsch-Wachs, Paraf fin, Bienenwachs, Carnaubawachs,

• Anorganische Bindemittel, insbesondere Kieselsole/ -gele, Alkoxy Silikate, Natron- / Kaliwasserglas.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Lösemittel mindes tens einen oder mehrere der folgenden Stoffe auf:

• Alkohole, beispielsweise Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol,

• Ketone, beispielsweise Aceton, Methylethylketon,

• Ester, beispielsweise Ethyl-, Propyl-, Butylacetat,

• Glykolderivate, beispielsweise Butylglykol, Ethoxypropanol,

• Aromaten, beispielsweise Toluol, Xylol, Solventnaphtha.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Partikel aus einem anorganischem Ferroelektrikum einen oder mehrere der folgenden Stoffe auf:

• Keramiken aus der Gruppe der Titandioxide und Perowskite,

• Titandioxid, · Magnesium-/ Calcium-/ Strontium-/ Barium-/ Zink-/ Zinn-titanate, • Magnesium-/ Calcium-/ Strontium-/ Barium-/ Zink-/ Zinn-zirkonate,

• Magnesium-/ Calcium-/ Strontium-/ Barium-/ Zink-/ Zinn-niobate,

• Magnesium-/ Calcium-/ Strontium-/ Barium- / Zink- / Zinn-tantalate. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schicht aus einem Die lektrikum mittels Offsetdruck, Flexodruck, Tiefdruck oder Siebdruck auf die Folie aufgedruckt.

Die Folie kann beispielsweise aus einer der folgenden Kunststoffe bestehen, die eine relative Permittivität e,-' von ca. 2,2 bis 3,3 aufweisen: Polyethylen (PE), Polyetylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polypro pylen (PP), Polytetraflourethylen (PTFE), Polystyrol (PS), Polycarbonat (PC). Alternativ kann die Folie auch aus einer Metallfolie, beispielsweise einer Aluminiumfolie, bestehen.

Bezüglich einer Weiterverarbeitung der Folie und dem darauf aufgedruckten Dielektrikum zu einem Folienkondensator, beispielsweise durch aus dem Stand der Technik bekannten Wickeln oder Schichten mehrerer Folien mit darauf angeordnetem Dielektrikum, wird insbesondere auf die DE 102019 002801 Al verwiesen, deren Offenbarung diesbezüglich vollumfänglich Ge genstand des vorliegenden Schutzrechts ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Folie durch eine Transferfolie gebildet, die nur für die Herstellung des Dielektrikums erfor- derlich ist und im fertigen Folienkondensator nicht mehr vorhanden ist.

Hierdurch wird besonders vorteilhaft das Volumen des Folienkondensators weiter verringert bzw. dessen Energiedichte weiter erhöht. Bevorzugt wird dabei vor dem Aufdrucken des Dielektrikums auf die Folie eine Release- Schicht und ein dünner UV-Lack auf die Folie aufgebracht. Bei der Herstel- lung des Kondensator-Wickels oder der Schichtung wird kurz vor der Wi ckelposition im Wickelautomaten bzw. kurz vor dem Schichtautomaten die Folie vom Rest des Aufbaus getrennt und nur die Schicht aus dem Dielektri kum gegebenenfalls mit der Release-Schicht und/ oder dem UV-Lack überei- nander gewickelt bzw. geschichtet. Dadurch kann das Volumen des Folien kondensator um das Folienvolumen abzüglich des Volumens des UV-Lacks reduziert werden.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen er setzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, so weit dies von dem Schutzumfang der Ansprüche erfasst ist.