Die Erfindung betrifft ein Folienkondensator aus mindestens einer Schicht aus einem Dielektrikum. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Folienkondensators.

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- keln 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 zu dessen Herstellung derart weiter zubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik behoben 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 im Wesentlichen aus Partikeln aus einem anorganischem Ferroelektrikum und einem organischen Bindemittel, die be vorzugt auf eine Folie aufgedruckt ist, wobei der Anteil der ParÜkeln aus ei nem anorganischem Ferroelektrikum 5% bis 60% und bevorzugt 10% bis 30% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt und der Anteil des organische Bindemittels 40% bis 95% und bevorzugt 70% bis 90% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt. Die Parti kel aus einem anorganischen Ferroelektrikum sind so ausgerichtet, dass die Schicht aus einem Dielektrikum eine höhere PermitÜvität e _r aufweist als ohne Ausrichtung der ParÜkel aus einem anorganischen Ferroelektrikum.

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. Das Dielektrikum besteht auch hierbei im Wesentlichen aus einem Stoffgemisch aus ParÜkeln aus einem an organischem Ferroelektrikum und einem organischen Bindemittel, wobei der Anteil der Partikeln aus einem anorganischem Ferroelektrikum 5% bis 60% und bevorzugt 10% bis 30% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt und der Anteil des organische Bindemittels 40% bis 95% und bevorzugt 70% bis 90% des Gesamtvolumens der Schicht aus einem Dielektrikum beträgt. Die Schicht aus einem Dielektrikum wird bei dem er findungsgemäßen Verfahren auf die Folie gedruckt, wobei anschließend auf die nasse, noch nicht getrocknete Schicht aus einem Dielektrikum ein elekt romagnetisches Feld einwirkt. Die elektrischen Feldlinien des elektromagne tischen Feldes sind im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Folie aus gerichtet, so dass die Partikel des anorganischen Ferroelektrikums so ausge richtet werden, dass die Schicht aus einem Dielektrikum eine höhere Per- mittivität e _r aufweist als ohne Ausrichtung der Partikel aus einem anorgani schen Ferroelektrikum. Anschließend wird die Schicht aus einem Dielektri kum getrocknet und werden die Partikel aus einem anorganischem Ferro elektrikum somit im ausgerichteten Zustand im Bindemittel fixiert bzw. „eingefroren".

Nach derzeitiger Auffassung ergibt sich die erfindungsgemäße höhere Per- mittivität e _r unter anderem deshalb, weil sich im nassen Dielektrikum durch die Einwirkung der elektrischen Feldlinien des elektromagnetischen Feldes eine Vielzahl von senkrecht oder zumindest nahezu senkrecht zu der Ober fläche der Folie angeordneten und paralleler oder zumindest nahezu parallel zueinander ausgerichteter Ketten aus Partikeln aus einem anorganischem Ferroelektrikum bilden. Dies insbesondere deshalb, da über die Dipole der Partikel eine Kraft induziert wird. Nass bedeutet hierbei, dass sich die Parti kel des anorganischen Ferroelektrikums innerhalb des organischen Ferro elektrikums bzw. Bindemittels bewegen oder drehen können, also insbeson dere flüssig oder pastös. Die Partikel aus einem anorganischem Ferroelektri kum und nach derzeitiger Auffassung auch die Ketten aus diesen Partikeln können sich nach dem Fixieren bzw. „Einfrieren" im Bindemittel nicht mehr im Bindemittel bewegen oder drehen und der Folienkondensator weist auch nach dem Abschalten des elektromagnetischen Felds und damit dauerhaft eine hohe Kapazität auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Partikel des anor ganischen Ferroelektrikums aus S1O2 (Silizium-Dioxid), ZrO (Zirkon-Dio xid), BaTiCb (Barium-Titanat), CaTiCb Calcium-Titanat oder T1O2 (Titan-Dio xid).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das organische Bindemittel ein Bindemittel, wie es für Druckfarben verwendet wird, beispielsweise als UV-Bindemittel, und/ oder ein organisches Ferroelektrikum, wie beispiels weise l,l-Di(carboxymethyl)cyclohexan, Triglycinsulfat oder Polyvinyliden- fluorid (PVDF).

Wie aus der Dissertation „Messung von Dielektrizitätskonstanten im Bereich von 0,2 bis 6 GHz und deren Bedeutung für die Mikrowellenerwärmung von Lebensmitteln" von C. Persch, Universität Karlsruhe 1997 (Seite 16) bekannt ist, wird die Permittivität e _r einer Stoffmischung von der Permittivität e _r des Materials mit höherer Konzentration bestimmt und entspricht somit eher ei ner Reihenschaltung von Kondensatoren.

Erfindungsgemäß ergibt sich hingegen nach derzeitiger Auffassung durch die Vielzahl von senkrecht und nicht parallel zu den Kondensatorplatten an geordneten Ketten aus Partikeln eine Parallelschaltung der durch die Ketten aus Partikeln gebildeten Teilkondensatoren. Damit ergibt sich eine stärkere Auswirkung eines kleineren Anteils von Material aus anorganischem Ferro elektrikum mit sehr hoher Permittivität e _r in einem Gemisch mit höheren An teilen von Material aus organischem Ferroelektrikum mit kleinerer Permitti vität e _r . So kann die Permittivität e _r in diesem Gemisch, das sich ohne Aus richtung im Bereich 6 bis 25 bewegt, weiter in Richtung des anorganische Ferroelektrikums ansteigen, das eine Permittivität e _r bis zu 100.000 haben kann. So ergibt sich dann ein kombinierte Permittivität e _r von 100 bis 1000.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das elektromagnetische Feld zur Ausrichtung der Partikel aus einem anorganischem Ferroelektri- kum der noch nassen Schicht aus einem Dielektrikum durch einen Platten kondensator mit zwei Platten und an den beiden Platten angelegter Hoch spannung erzeugt. Hierbei wird die Folie mit dem aufgedruckten und noch nassen Dielektrikum parallel zu den Platten durch den Plattenkondensator mit angelegter Hochspannung geführt und sind die Feldlinien des elektro magnetischen Feldes senkrecht zur Oberfläche der Folie ausgerichtet. Die Hochspannung wird dabei so gewählt, dass sich die Partikel und Dipole zu verlässig im Bindemittel zu einer Vielzahl von kettenartigen Strukturen an ordnen. Weisen die Platten des Kondensators beispielsweise einen Abstand voneinander von etwa einem Zentimeter auf und wird eine Hochspannung von 500 V bis 50.000 V angelegt, ergibt sich eine Feldstärke von 50 kV/m bis 5 MV / m. Bevorzugt wird eine Hochspannung von 1 kV bis 5 kV an die Plat ten des Kondensators angelegt, so dass sich eine Feldstärke von 100 kV / m bis 500 kV / m ergibt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Platten- kondensator auf mindestens einer Seite mit einer Schicht aus keramischem Material zur Verhinderung von direkten Durchschlägen der Hochspannung versehen.

Wird eine oszillierende Hochspannung bzw. ein oszillierendes Wechselfeld an die Platten des Plattenkondensators angelegt, wird die Bewegung der Partikel im Bindemittel vorteilhaft unterstützt. Die Frequenz der Hochspan nung bzw. des Wechselfeldes liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 1 kHz bis 500 kHz, besonders bevorzugt im Bereich von 20 kHz bis 200 kHz. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das elektromagnetische Feld zur Ausrichtung der Partikel aus einem anorganischem Ferroelektri- kum der noch nassen Schicht aus einem Dielektrikum durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Koronabehandlung erzeugt. Das auf die Folie aufgedruckte und noch nasse Dielektrikum wird dabei einer elektrischen Hochspannungs-Entladung ausgesetzt, deren elektrische Feldlinien senk recht zur Oberfläche des Dielektrikums ausgerichtet sind. Dies erfolgt bevor zugt dadurch, dass die Folie auf einer geerdeten, polierten Walze aus Stahl oder Aluminium aufliegt und eine eng anliegende isolierte Elektrode auf die der Elektrode zugewandte Seite des Dielektrikums einwirkt. Alternativ ist auch der Einsatz einer isolierten Walze gegen eine nicht isolierte Elektrode möglich. Die Hochspannungs-Entladung wird dabei so gewählt, dass sich die Partikel zuverlässig im Bindemittel zu einer Vielzahl von kettenartigen Strukturen anordnen. Bevorzugt liegt an der Elektrode eine Wechselspan nung von 10 kV bis 20 kV mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 60 kHz an.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das elektromagnetische Feld zur Ausrichtung der Partikel aus einem anorganischem Ferroelektri- kum der noch nassen Schicht aus einem Dielektrikum durch elektromagneti sche Hochfrequenzwellen oder eine Mikrowellenstrahlung erzeugt, deren elektrische Feldlinien senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums ausgerich tet sind. Die Hochfrequenzwellen oder Mikrowellenstrahlung wird dabei so gewählt, dass sich die Partikel zuverlässig im Bindemittel zu einer Vielzahl von kettenartigen Strukturen anordnen. Bevorzugte Frequenzbereiche sind hierbei 10 MHz bis 200 MHz für die Hochfrequenzwellen bzw. 1 GHz bis 3 GHz für die Mikrowellenstrahlung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die oben ge nannten Verfahren zur Ausrichtung der Partikel aus einem anorganischem Ferroelektrikum der noch nassen Schicht aus einem Dielektrikum miteinan der kombiniert, um eine noch bessere Ausrichtung der Partikel und damit noch höhere Effizienz des Verfahrens zu erzielen. Beispielsweise kann die Hochspannungsausrichtung mit der Hochfrequenz- und/ oder Mikrowellen- ausrichtung kombiniert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schicht aus einem Die lektrikum mittels Offsetdruck, Flexodruck, Tiefdruck, Siebdruck oder eines Transferverfahrens 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-Fack überei nander gewickelt bzw. geschichtet. Dadurch kann das Volumen des Folien kondensator um das Folienvolumen abzüglich des Volumens des UV-Facks reduziert werden. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, soweit dies von dem Schutzum fang der Ansprüche erfasst ist.

Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und der ergänzenden Fi guren werden die Vorteile der Erfindung erläutert. Die Ausführungsbei spiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, auf die jedoch die Erfin dung in keinerlei Weise beschränkt sein soll. Des Weiteren sind die Darstel- lungen in den Figuren des besseren Verständnisses wegen stark schemati siert und spiegeln nicht die realen Gegebenheiten wider. Insbesondere ent sprechen die in den Figuren gezeigten Proportionen nicht den in der Realität vorliegenden Verhältnissen und dienen ausschließlich zur Verbesserung der Anschaulichkeit. Des Weiteren sind die in den folgenden Ausführ ungsbei- spielen beschriebenen Ausführungsformen der besseren Verständlichkeit wegen auf die wesentlichen Kerninformationen reduziert. Bei der prakti schen Umsetzung können wesentlich komplexere geometrische Ausformun gen oder Schichtfolgen zur Anwendung kommen. Im Einzelnen zeigen jeweils schematisch in Seitenansicht: Fig. l einen erfindungsgemäßen Folienkondensator mit noch nicht aus gerichteten Partikeln des Dielektrikums,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Folienkondensator mit durch das elekt romagnetische Feld eines Plattenkondensators ausgerichteten Par tikeln des Dielektrikums.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Folienkondensator, der eine Folie 1 aufweist, auf die ein Dielektrikum 2 aufgedruckt ist. Das Die lektrikum besteht aus einem Bindemittel 3, in das eine Vielzahl von Parti keln 4 eines anorganischen Ferroelektrikums dispergiert sind.

Fig. 1 zeigt den Ausgangszustand mit noch nicht ausgerichteten Partikeln 4, bei dem die Partikel 4 statistisch bzw. zufällig innerhalb des Bindemittels 3 verteilt sind. Das Dielektrikum 2 ist hierbei noch nass bzw. flüssig oder pas tös, so dass die Partikel 4 sich innerhalb des Bindemittels 3 bewegen können.

Gemäß Fig. 2 wird die Folie 1 mit dem aufgedruckten, noch nassen Dielektri kum 2 zwischen die beiden Platten 5 und 6 eines Plattenkondensators ge bracht und an die beiden Platten 5 und 6 eine Hochspannung U angelegt. Durch das elektromagnetische Feld des Plattenkondensators ordnen sich die Partikel 4 kettenartig an, es entsteht eine Vielzahl von nahezu parallel ange ordneten Ketten aus Partikeln 4, die senkrecht zu der Oberfläche der Platten 5 und 6 des Plattenkondensators ausgerichtet sind.

Anschließend, nicht dargestellt, wird das Dielektrikum 2 getrocknet, so dass sich die Partikel 4 nicht mehr im Bindemittel 3 bewegen oder drehen kön nen. Die Ketten aus Partikeln 4 werden also fixiert oder „eingefroren" und der Folienkondensator weist dauerhaft eine hohe Kapazität auf.