JP7439954B2 - Electric calorific effect element - Google Patents
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Description
本開示は、電気熱量効果素子に関する。 The present disclosure relates to electrocaloric effect elements.
近年、冷却素子として、電気熱量効果を利用する新しい固体冷却素子及び冷却システムが注目されており、その研究開発が盛んに行われている。温室効果ガスである冷媒を使った既存の冷却システムと比較して、冷媒を必要とせず高効率及び低消費電力という利点があり、また、コンプレッサーを使用しないため静かであるという利点もある。優れた電気熱量効果を得るためには、所望の温度域で一次相転移を示し、大きな電界を印加することが可能である強誘電体である必要があり、PbSc0.5Ta0.5O3(以下、Pb、Sc及びTaを含むセラミックスを「PST」ともいう)が最も有望な材料として知られている。例えば、非特許文献1~3は、PbSc0.5Ta0.5O3が大きな電気熱量効果を示すことを報告している。
In recent years, new solid-state cooling elements and cooling systems that utilize the electrocaloric effect have been attracting attention as cooling elements, and research and development thereof has been actively conducted. Compared to existing cooling systems that use refrigerants, which are greenhouse gases, this system has the advantage of high efficiency and low power consumption because it does not require a refrigerant, and it also has the advantage of being quiet because it does not use a compressor. In order to obtain an excellent electrocaloric effect, it is necessary to be a ferroelectric material that exhibits a first-order phase transition in the desired temperature range and to which it is possible to apply a large electric field, and PbSc 0.5 Ta 0.5 O 3 (hereinafter, ceramics containing Pb, Sc, and Ta are also referred to as "PST") is known as the most promising material. For example, Non-Patent
上記PSTは、電気熱量効果を示すが、より大きな電気熱量効果を得るために:
(1)耐電圧が高く、大きな電界を印可可能であること、
(2)PSTのBサイトのカチオンであるSc及びTaが高オーダー度を示すこと
が求められる。即ち、電気熱量効果の性能指標の一つである断熱温度変化ΔTは、印可する電界強度に依存するので、セラミックス自体又は素子が高い耐電圧を有していなければ、十分な電界を印可することができず、大きな断熱温度変化を得ることができない。また、電気熱量効果は、PSTのBサイトのオーダー度に影響を受け、Bサイトのオーダー度が高いほど優れた強誘電体特性が得られ、大きな電気熱量効果(断熱温度変化)を得ることができる。
The above PST shows an electrocaloric effect, but in order to obtain a larger electrocaloric effect:
(1) It has a high withstand voltage and can apply a large electric field,
(2) Sc and Ta, which are cations at the B site of PST, are required to exhibit a high degree of order. That is, since the adiabatic temperature change ΔT, which is one of the performance indicators of the electrocaloric effect, depends on the strength of the applied electric field, it is not necessary to apply a sufficient electric field unless the ceramic itself or the element has a high withstand voltage. Therefore, large adiabatic temperature changes cannot be obtained. In addition, the electrocaloric effect is influenced by the degree of order of the B site of PST, and the higher the degree of order of the B site, the better the ferroelectric properties can be obtained, and the larger the electric caloric effect (adiabatic temperature change) can be obtained. can.
さらに、上記PSTを固体冷却素子に用いる場合、その用途(例えば、冷蔵庫、冷凍庫等)に応じた温度(例えば、冷蔵庫の4℃以下、冷凍庫の-18℃以下)で大きな電気熱量効果を示すことが求められる。 Furthermore, when the above-mentioned PST is used in a solid cooling element, it should exhibit a large electrical calorific value effect at a temperature appropriate for its use (e.g., refrigerator, freezer, etc.) (e.g., 4°C or less for a refrigerator, -18°C or less for a freezer). is required.
しかしながら、従来のPSTは、20℃以上では大きな電気熱量効果を示すが、低温においては著しく電気熱量効果が低下し、固体冷却素子として低温での使用に問題がある。 However, although the conventional PST exhibits a large electrocaloric effect at temperatures above 20° C., the electrocaloric effect decreases significantly at low temperatures, and there is a problem in its use as a solid cooling element at low temperatures.
従って、本開示は、主成分がPtである電極層とPSTセラミックス層が交互に積層された積層体を有する電気熱量効果素子であって、PSTセラミックス層の耐電圧及びオーダー度が高く、低温で大きな電気熱量効果を示す電気熱量効果素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present disclosure provides an electrocaloric effect element having a laminate in which electrode layers whose main component is Pt and PST ceramic layers are alternately laminated, wherein the PST ceramic layer has a high withstand voltage and degree of order, and can be used at low temperatures. An object of the present invention is to provide an electrocaloric effect element that exhibits a large electrocaloric effect.
本発明者らは、鋭意検討した結果、セラミックス層において、ペロブスカイト構造を有し、Pb、Sc及びTaに加え、Naを含むセラミックス:
(Pb1-xNax)m(Sc0.5-x/2-yTa0.5+x/2+y)O3
[式中、
xは、0.01≦x≦0.08を満たし、
yは、-0.03≦y≦0.03を満たし、
mは、0.97≦m≦1.03を満たす。]
で表されるセラミックスを用いることにより、PSTセラミックス層の耐電圧及びオーダー度が高く、低温で大きな電気熱量効果を示す電気熱量効果素子を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
As a result of intensive studies, the present inventors found that the ceramic layer has a perovskite structure and contains Na in addition to Pb, Sc, and Ta:
(Pb 1-x Na x ) m (Sc 0.5-x/2-y Ta 0.5+x/2+y ) O 3
[In the formula,
x satisfies 0.01≦x≦0.08,
y satisfies -0.03≦y≦0.03,
m satisfies 0.97≦m≦1.03. ]
The present inventors have discovered that by using the ceramic represented by the above, it is possible to obtain an electrocaloric effect element that has a high withstand voltage and high degree of order in the PST ceramic layer and exhibits a large electrocaloric effect at low temperatures, and has completed the present invention. .
本開示は、以下の態様を含む。
[1] 主成分がPtで構成される電極層とセラミックス層が積層された積層体を有する電気熱量効果素子であって、前記セラミックス層は、ペロブスカイト構造を有し、式:
(Pb1-xNax)m(Sc0.5-x/2-yTa0.5+x/2+y)O3
[式中、
xは、0.01≦x≦0.08を満たし、
yは、-0.03≦y≦0.03を満たし、
mは、0.97≦m≦1.03を満たす。]
で表されるセラミックスを主成分とする、電気熱量効果素子。
[2] yは0であり、mは1である、上記[1]に記載の電気熱量効果素子。
[3] 前記積層体におけるセラミックス層の厚みは、50μm以下である、上記[1]又は[2]に記載の電気熱量効果素子。
[4] 前記積層体におけるセラミックス層の厚みは、10μm以上50μm以下である、上記[1]~[3]のいずれか1項に記載の電気熱量効果素子。
[5] 上記[1]~[4]のいずれか1項に記載の電気熱量効果素子を有してなる電子部品。
The present disclosure includes the following aspects.
[1] An electrocaloric effect element having a laminate in which an electrode layer whose main component is Pt and a ceramic layer are stacked, the ceramic layer having a perovskite structure and having the formula:
(Pb 1-x Na x ) m (Sc 0.5-x/2-y Ta 0.5+x/2+y ) O 3
[In the formula,
x satisfies 0.01≦x≦0.08,
y satisfies -0.03≦y≦0.03,
m satisfies 0.97≦m≦1.03. ]
An electrocaloric effect element whose main component is ceramic represented by
[2] The electrocaloric effect element according to [1] above, wherein y is 0 and m is 1.
[3] The electrocaloric effect element according to [1] or [2] above, wherein the thickness of the ceramic layer in the laminate is 50 μm or less.
[4] The electrocaloric effect element according to any one of [1] to [3] above, wherein the thickness of the ceramic layer in the laminate is 10 μm or more and 50 μm or less.
[5] An electronic component comprising the electrocaloric effect element according to any one of [1] to [4] above.
本発明によれば、PSTセラミックス層の耐電圧及びオーダー度が高く、低温で大きな電気熱量効果を示す電気熱量効果素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrocaloric effect element in which the PST ceramic layer has a high withstand voltage and high degree of order, and exhibits a large electrocaloric effect at low temperatures.
以下、本開示の電気熱量効果素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本実施形態の電気熱量効果素子及び各構成要素の形状及び配置等は、図示する例に限定されない。 Hereinafter, the electrocaloric effect element of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. However, the shape, arrangement, etc. of the electrocaloric effect element and each component of this embodiment are not limited to the illustrated example.
本開示の電気熱量効果素子は、Pt電極層とセラミックス層が交互に積層された積層体を有する。 The electrocaloric effect element of the present disclosure has a laminate in which Pt electrode layers and ceramic layers are alternately stacked.
図1に示すように、本開示の一の実施形態の電気熱量効果素子1は、Pt電極層2a,2b(以下、まとめて「Pt電極層2」ともいう)とセラミックス層4とが交互に積層された積層体6、及びPt電極層2に接続された外部電極8a,8b(以下、まとめて「外部電極8」ともいう)を有する。Pt電極層2a及び2bは、それぞれ、積層体6の端面に配置される外部電極8a及び8bに、電気的に接続されている。外部電極8a及び8bから電圧を印加すると、Pt電極層2a及び2b間に電場が形成される。この電場によりセラミックス層4は電気熱量効果により発熱する。また、電圧が除去されると、電場が消失し、その結果、電気熱量効果によりセラミックス層4は吸熱する。
As shown in FIG. 1, in an
上記Pt電極層2は、いわゆる内部電極である。Pt電極層2は、セラミックス層4に電場を与える機能に加え、セラミックス層4と外部との間で熱量を搬送する機能をも有し得る。
The
上記Pt電極層は、主成分がPtで構成される電極層を意味する。ここに、上記電極層における「主成分」とは、電極層が80質量%以上のPtからなることを意味し、例えば、電極層の95質量%以上、より好ましくは98質量%以上、さらに好ましくは99%以上、さらにより好ましくは99.5質量%以上、特に好ましくは99.9質量%以上がPtであることを意味する。ただし、本発明の効果は化学耐久性の改善及び/又はコストの観点から、上記Pt電極層は、Ptと他の元素(例えば、Ag、Pd、Rh、Au等)の合金又は混合物であってもよい。上記Pt電極層がこれらの合金又は混合物で構成されても同様の効果を得ることができる。また不純物として混入し得る他の元素、特に不可避な元素(例えば、Fe、Al2O3、など)を含んでいてもよい。この場合も、同様の効果を得ることができる。 The above-mentioned Pt electrode layer means an electrode layer whose main component is Pt. Here, the "main component" in the electrode layer means that the electrode layer consists of 80% by mass or more of Pt, for example, 95% by mass or more of the electrode layer, more preferably 98% by mass or more, and even more preferably means that 99% or more, even more preferably 99.5% by mass or more, particularly preferably 99.9% by mass or more is Pt. However, from the viewpoint of improving chemical durability and/or cost, the effect of the present invention is that the Pt electrode layer is an alloy or mixture of Pt and other elements (for example, Ag, Pd, Rh, Au, etc.). Good too. Similar effects can be obtained even if the Pt electrode layer is made of an alloy or a mixture of these. It may also contain other elements that may be mixed in as impurities, particularly unavoidable elements (eg, Fe, Al 2 O 3 , etc.). In this case as well, similar effects can be obtained.
上記Pt電極層2の厚みは、好ましくは0.2μm以上10μm以下、より好ましくは1.0μm以上5.0μm以下、例えば2.0μm以上5.0μm以下又は2.0μm以上4.0μm以下であり得る。Pt電極層の厚みを0.5μm以上とすることにより、Pt電極層の抵抗を小さくすることができ、また、熱輸送効率を上げることができる。また、Pt電極層の厚みを10μm以下とすることにより、セラミックス層の厚み(ひいては体積)を大きくすることができ、素子全体としての電気熱量効果により扱える熱量をより大きくすることができる。また、素子をより小さくすることができる。
The thickness of the
一の態様において、上記セラミックス層4は、Pb、Na、Sc及びTaを含むセラミックスを主成分とする層である。上記セラミックスは、ペロブスカイト構造を有し、Pb、Na、Sc及びTaを含み、Naの含有比率を「x」とした場合に、Pbの含有比率は「1-x」であり、Scの含有比率は「0.5-x/2-y」であり、Taの含有比率は「0.5+x/2-y」であり、xの範囲は0.01≦x≦0.08であり、yの範囲は-0.03≦y≦0.03であり、ScとTaの合計に対するPbとNaの合計の比率を「m」とした場合に、mの範囲は0.97≦m≦1.03である。なお、上記比率はすべてモル比である。上記セラミックス層4を構成するセラミックにおいて、上記の範囲の組成にすることにより、高い耐電圧(例えば、15MV/m以上)、高いBサイトのオーダー度(例えば、75%以上)、低温での大きな電気熱量効果(例えば、1K以上のΔTa)を得ることができる。さらに、アニール処理を行わない場合にも、あるいはアニール処理時間を短くした場合(例えば、100~500時間のアニール処理)にも、高いオーダー度を得ることが可能になり、生産性がより向上する。さらに、素子の厚みを薄くしたとしても、高いオーダー度が得られるようになり、素子設計の自由度が向上する。
In one embodiment, the
別の態様において、上記セラミックス層4は、ペロブスカイト構造を有し、かつ、式:
(Pb1-xNax)m(Sc0.5-x/2-yTa0.5+x/2+y)O3
[式中、
xは、0.01≦x≦0.08を満たし、
yは、-0.03≦y≦0.03を満たし、
mは、0.97≦m≦1.03を満たす。]
で表されるセラミックスを主成分とする。x、y及びmを、上記の範囲にすることにより、高い耐電圧(例えば、15MV/m以上)、高いBサイトのオーダー度(例えば、75%以上)、低温での大きな電気熱量効果(例えば、1K以上のΔTa)を得ることができる。
In another aspect, the
(Pb 1-x Na x ) m (Sc 0.5-x/2-y Ta 0.5+x/2+y ) O 3
[In the formula,
x satisfies 0.01≦x≦0.08,
y satisfies -0.03≦y≦0.03,
m satisfies 0.97≦m≦1.03. ]
The main component is ceramics represented by By setting x, y, and m within the above ranges, high withstand voltage (e.g., 15 MV/m or more), high degree of B site order (e.g., 75% or more), and large electrocaloric effect at low temperatures (e.g., , ΔTa) of 1K or more can be obtained.
本開示はいかなる理論にも拘束されないが、上記のような効果が得られるメカニズムは、以下のように考えられる。
PSTの単板試料に関する従来技術では、PSTが難焼結物質であることから1500℃以上の高い温度で焼成したり(例えば、非特許文献3)、圧力下で焼成できるホットプレス法を用いて焼結性を向上させたりしているが、本開示のような積層型の素子の場合は1450℃以上の温度ではPtの共焼結が困難であり、また、素子構造が壊れるため圧力下での焼成も困難である。従って、積層型の素子の場合は、理想より少し低い温度で焼結が行われている。更にセラミックス層を挟むPt電極層が酸素やPbなどの拡散を妨げることにより、Bサイトを構成するカチオンの拡散係数が低下し高いオーダー度を得ることが困難となっていると推察される。また、同様の理由から、内在する欠陥も残りやすくなり、耐電圧のばらつきが大きくなり易い。本開示で用いられるセラミックスでは、Pbの一部をNaに置換し、さらにPb、Na、Sc及びTaの比率を本開示の組成範囲にすることにより、ペロブスカイトのAサイト及びBサイトともに適度に不均質化がなされ元素の拡散が促進されてBサイトのオーダーが起きやすくなったと推察される。また、元素の拡散が促進されたことにより従来のPSTより焼結が進みやすくなり、耐電圧も向上すると考えられる。
Although the present disclosure is not bound by any theory, the mechanism by which the above effects are obtained is thought to be as follows.
Conventional techniques related to PST veneer samples include firing at a high temperature of 1500°C or higher (for example, Non-Patent Document 3), since PST is a difficult-to-sinter material, or using a hot press method that allows firing under pressure. However, in the case of a multilayer device like the one disclosed in the present disclosure, it is difficult to co-sinter Pt at temperatures above 1450°C, and the device structure will be destroyed, so it is difficult to co-sinter Pt under pressure. Firing is also difficult. Therefore, in the case of a multilayer element, sintering is performed at a slightly lower temperature than ideal. Furthermore, it is presumed that the Pt electrode layers sandwiching the ceramic layer impede the diffusion of oxygen, Pb, etc., thereby reducing the diffusion coefficient of cations constituting the B site, making it difficult to obtain a high degree of order. Furthermore, for the same reason, inherent defects tend to remain, and variations in withstand voltage tend to increase. In the ceramics used in the present disclosure, by substituting a part of Pb with Na and further setting the ratio of Pb, Na, Sc, and Ta within the composition range of the present disclosure, both the A site and the B site of the perovskite are appropriately depleted. It is surmised that homogenization was achieved and element diffusion was promoted, making it easier for the B site order to occur. In addition, it is thought that due to the promoted diffusion of elements, sintering progresses more easily than in conventional PST, and the withstand voltage also improves.
好ましい態様において、上記yは0であり、mは1である。即ち、(Pb1-xNax)m(Sc0.5-x/2-yTa0.5+x/2+y)O3で表される式は、(Pb1-xNax)(Sc0.5-x/2Ta0.5+x/2)O3となる。 In a preferred embodiment, y is 0 and m is 1. That is, the formula represented by (Pb 1-x Na x ) m (Sc 0.5-x/2-y Ta 0.5+x/2+y )O 3 is (Pb 1-x Na x )(Sc 0. 5-x/2 Ta 0.5+x/2 ) O 3 .
上記セラミックス層4は、1種のセラミックスを主成分としてもよく、2種以上のセラミックスを主成分としてもよい。
The
ここに、上記セラミックス層における「主成分」とは、セラミックス層が実質的に対象のセラミックスからなることを意味し、例えば、セラミックス層の90質量%以上、より好ましくは95%以上、さらに好ましくは98質量%以上、さらにより好ましくは99質量%以上、特に好ましくは99.5質量%以上が対象のセラミックスであることを意味する。他の成分としては、パイロクロア構造というペロブスカイト構造とは異なる構造を有する結晶相、不純物として混入する他の元素、特に不可避な元素(例えば、Zr、Cなど)であり得る。 Here, the "main component" in the ceramic layer means that the ceramic layer essentially consists of the target ceramic, for example, 90% by mass or more, more preferably 95% or more, even more preferably 95% or more by mass of the ceramic layer. This means that 98% by mass or more, even more preferably 99% by mass or more, particularly preferably 99.5% by mass or more is the subject ceramic. Other components may include a crystalline phase having a structure different from the perovskite structure called a pyrochlore structure, other elements mixed as impurities, and particularly unavoidable elements (for example, Zr, C, etc.).
上記セラミックス層4の組成は、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法、蛍光X線分析法等により求めることができる。また、セラミックス層4の構造は、粉末X線回折により求めることができる。
The composition of the
上記セラミックス層4の厚みは、好ましくは5μm以上100μm以下、より好ましくは5μm以上50μm以下、さらに好ましくは10μm以上50μm以下、さらにより好ましくは20μm以上50μm以下、特に好ましくは20μm以上40μm以下であり得る。セラミックス層の厚みをより厚くすることにより、素子の取り扱える熱量を大きくすることができる。セラミックス層の厚みをより薄くすることにより、耐電圧を向上でき、より高いΔTを得ることができる。
The thickness of the
上記セラミックス層4のBサイトのオーダー度は、好ましくは75%以上、より好ましくは76%以上、さらに好ましくは77%以上であり得る。Bサイトのオーダー度をより高くすることにより、より大きな電気熱量効果を得ることができる。セラミックス層のBサイトのオーダー度は、高いほど好ましいが、その上限は、例えば、99%以下、90%以下、又は85%以下であってもよい。Bサイトのオーダー度をより低くすることにより、製造時のアニール処理時間を短くすることができ、生産性が向上する。
The order degree of the B site of the
上記セラミックス層4のBサイトのオーダー度は、粉末X線回折により、ペロブスカイト構造の111と200回折の強度を測定し、得られた測定値と、Bサイトが完全にオーダーした構造から求めた計算値とから、下記式に基づいて、求めることができる。
The degree of order of the B site of the
I111及びI200は、それぞれ、111と200回折の強度を表し、
observedは、測定値を表し、
calculatedは、計算値を表す。]
I 111 and I 200 represent the intensities of 111 and 200 diffraction, respectively;
observed represents a measured value,
calculated represents a calculated value. ]
上記セラミックス層4の耐電圧は、好ましくは15MV/m以上、より好ましくは20MV/m以上、さらに好ましくは25MV/m以上であり得る。セラミックス層の耐電圧をより高くすることにより、より大きな電界が印可可能になり、より大きなΔTを得ることができる。
The withstand voltage of the
一対の外部電極8a,8bを構成する材料としては、特に限定されないが、Ag、Cu、Pt、Ni、Al、Pd、Au、又はこれらの合金(例えば、Ag-Pd等)が挙げられ、それら金属とガラスで構成される電極であっても、金属と樹脂で構成される電極であっても良い。金属は中でも、Agが好ましい。
Materials constituting the pair of
上記電気熱量効果素子1は、Pt電極層2とセラミックス層4が、交互に積層されているが、本開示の上記電気熱量効果素子において、Pt電極層及びセラミックス層の積層枚数は特に限定されない。また内部電極はすべて外部電極と接続されていなくてもよく、熱の搬送や圧電、電歪による応力緩和のためなどに必要に応じ、外部電極に接続しない内部電極を含んでも良い。例えば、セラミックス層の積層数の下限は、それぞれ、1以上、好ましくは5以上、例えば10以上又は20以上であってもよい。また、セラミックスの積層数の上限は、数百以下、好ましくは300以下、より好ましくは100以下、例えば50以下であってもよい。
In the
上記電気熱量効果素子1は、内部電極とセラミック層が、実質的に全面で接触しているが、本開示の電気熱量効果素子はこのような構造に限定されず、セラミック層に電場を印加できる構造であれば特に限定されない。また、電気熱量効果素子1は、直方体のブロック形状であるが、本開示の電気熱量効果素子の形状はこれに限定されず、例えば円筒状、シート状であってもよく、さらに凹凸又は貫通孔等を有していてもよい。また熱の搬送や、外部との熱交換のために表面に内部電極が露出していても良い。
In the
上記した本実施形態の電気熱量効果素子は、例えば、以下のようにして製造される。
原料として高純度の酸化鉛(Pb3O4)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化スカンジウム(Sc2O3)及び炭酸ナトリウム(Na2CO3)を、焼成後に所望の組成比率になるように秤量する。上記の原料を、部分安定化ジルコニア(PSZ)ボール、純水、分散剤等とボールミルで粉砕混合を行う。その後、粉砕混合したスラリーを乾燥、整粒した後に、例えば大気中800℃~900℃の条件で仮焼する。得られた仮焼粉を、PSZボール、エタノール、トルエン、分散剤等と混合し、粉砕する。次いで、得られた粉砕粉に溶解させたバインダー溶液を添加し、混合して、シート成型用のスラリーを作成する。作成したスラリーを、支持体上にシート状に成形し、Pt電極ペーストを印刷する。印刷したシートと印刷していないシートを所望の構造になるように積層したのち、100MPa~200MPaの圧力で圧着し、カットすることでグリーンチップを作成する。グリーンチップは、大気中500℃~600℃で熱処理することで脱バインダー処理を行う。次いで、脱バインダーしたチップを、例えばアルミナ製の密閉さやを用い、Pb雰囲気を作成するためのPbZrO3粉と一緒に、1300℃~1500℃で焼成を行う。焼成後、必要に応じて、再度チップとPbZrO3粉を約1000℃で所定時間熱処理し、構造の調整を行うことができる。その後、チップの端面をサンドペーパーで磨き、外部電極ペーストを塗布し、所定温度で焼き付け処理を行い、図1に示すような電気熱量効果素子を得ることができる。
The electrocaloric effect element of this embodiment described above is manufactured, for example, as follows.
High-purity lead oxide (Pb 3 O 4 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) are used as raw materials, and the desired composition ratio is achieved after firing. Weigh as follows. The above raw materials are pulverized and mixed with partially stabilized zirconia (PSZ) balls, pure water, a dispersant, etc. in a ball mill. Thereafter, the pulverized and mixed slurry is dried, sized, and then calcined, for example, at 800° C. to 900° C. in the atmosphere. The obtained calcined powder is mixed with PSZ balls, ethanol, toluene, a dispersant, etc., and pulverized. Next, a binder solution dissolved in the obtained pulverized powder is added and mixed to create a slurry for sheet molding. The prepared slurry is formed into a sheet shape on a support, and a Pt electrode paste is printed on it. After laminating a printed sheet and an unprinted sheet into a desired structure, they are pressed together under a pressure of 100 MPa to 200 MPa and cut to create a green chip. The green chips are heat-treated at 500°C to 600°C in the atmosphere to remove the binder. Next, the binder-removed chip is fired at 1300° C. to 1500° C. using, for example, a sealed sheath made of alumina together with PbZrO 3 powder to create a Pb atmosphere. After firing, if necessary, the chip and the PbZrO 3 powder can be heat-treated again at about 1000° C. for a predetermined time to adjust the structure. Thereafter, the end face of the chip is polished with sandpaper, an external electrode paste is applied, and a baking process is performed at a predetermined temperature to obtain an electrocaloric effect element as shown in FIG.
本発明の電気熱量効果素子は、優れた電気熱量効果を示すことから、熱マネジメント素子、特に冷却素子(エアコンなどの空調装置、冷蔵庫、冷凍庫の冷却/ヒートポンプ素子を含む)として用いることができる。 Since the electrocaloric effect element of the present invention exhibits an excellent electrocaloric effect, it can be used as a heat management element, particularly a cooling element (including cooling/heat pump elements for air conditioners such as air conditioners, refrigerators, and freezers).
本開示はまた、本開示の電気熱量効果素子を有して成る電子部品、ならびに本開示の電気熱量効果素子又は電子部品を有して成る電子機器をも提供する。 The present disclosure also provides an electronic component comprising the electrocaloric effect element of the present disclosure, and an electronic device comprising the electrocaloric effect element or electronic component of the present disclosure.
電子部品としては、特に限定するものではないが、例えば、空調、冷蔵庫又は冷凍庫に用いられる電子部品;中央処理装置(CPU)、ハードディスク(HDD)、パワーマネージメントIC(PMIC)、パワーアンプ(PA)、トランシーバーIC、ボルテージレギュレータ(VR)などの集積回路(IC)、発光ダイオード(LED)、白熱電球、半導体レーザーなどの発光素子、電界効果トランジスタ(FET)などの熱源となり得る部品、及び、その他の部品、例えば、リチウムイオンバッテリー、基板、ヒートシンク、筐体等の電子機器に一般的に用いられる部品が挙げられる。 Examples of electronic components include, but are not limited to, electronic components used in air conditioners, refrigerators, or freezers; central processing units (CPUs), hard disks (HDDs), power management ICs (PMICs), and power amplifiers (PAs). , integrated circuits (ICs) such as transceiver ICs and voltage regulators (VRs), light emitting elements such as light emitting diodes (LEDs), incandescent light bulbs, and semiconductor lasers, components that can be heat sources such as field effect transistors (FETs), and other components. Parts include, for example, parts commonly used in electronic devices such as lithium ion batteries, circuit boards, heat sinks, and casings.
電子機器としては、特に限定するものではないが、例えば、空調、冷蔵庫又は冷凍庫;携帯電話、スマートフォン、パーソナルコンピュータ(PC)、タブレット型端末、ハードディスクドライブ、データサーバー等の小型電子機器が挙げられる。 Examples of electronic devices include, but are not limited to, small electronic devices such as air conditioners, refrigerators, or freezers; mobile phones, smartphones, personal computers (PCs), tablet terminals, hard disk drives, and data servers.
<電気熱量効果素子の作製>
原料として高純度の酸化鉛(Pb3O4)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化スカンジウム(Sc2O3)及び炭酸ナトリウム(Na2CO3)を準備した。これらの原料を、焼成後に表1~7に示すような所定の組成比率になるように秤量し、直径2mmの部分安定化ジルコニア(PSZ)ボール、純水及び分散剤と、ボールミルで16時間、粉砕混合を行った。その後、粉砕混合したスラリーを、ホットプレートで乾燥し、整粒した後に大気中850℃の条件で2時間仮焼を行った。
<Production of electrocaloric effect element>
High purity lead oxide (Pb 3 O 4 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) were prepared as raw materials. These raw materials were weighed so as to have a predetermined composition ratio as shown in Tables 1 to 7 after firing, and heated in a ball mill for 16 hours with partially stabilized zirconia (PSZ) balls having a diameter of 2 mm, pure water, and a dispersant. Grinding and mixing were performed. Thereafter, the pulverized and mixed slurry was dried on a hot plate, sized, and then calcined in the atmosphere at 850° C. for 2 hours.
得られた仮焼粉を、直径5mmのPSZボール、エタノール、トルエン及び分散剤と、16時間混合し、粉砕した。次いで、得られた粉砕粉に、溶解させたバインダー溶液を添加し、4時間混合してシート成型用のスラリーを作成した。作成したスラリーを、ドクターブレード法によりペットフィルム上に、所定のセラミックス層の厚みに応じた厚みで、シート状に成形し、短冊カットした後、白金内部電極ペーストをスクリーン印刷した。尚、作製する積層素子のシート厚みは、シート成形時に用いるドクターブレードのギャップを変えることで制御した。 The obtained calcined powder was mixed with PSZ balls having a diameter of 5 mm, ethanol, toluene, and a dispersant for 16 hours, and then pulverized. Next, a dissolved binder solution was added to the obtained pulverized powder and mixed for 4 hours to prepare a slurry for sheet molding. The prepared slurry was formed into a sheet shape with a thickness corresponding to the thickness of the predetermined ceramic layer on a PET film using a doctor blade method, and after cutting into strips, a platinum internal electrode paste was screen printed. Note that the sheet thickness of the laminated element to be produced was controlled by changing the gap of the doctor blade used during sheet forming.
印刷したシートと印刷していないシートを所定枚数積層した後、150MPaの圧力で圧着し、カットすることでグリーンチップを作成した。グリーンチップは、大気中550℃で24時間熱処理することで脱バインダー処理を行った。次いで、グリーンチップを、アルミナ製の密閉さやに、Pb雰囲気作成用のPbZrO3粉と一緒に封入し、1350~1400℃で4時間焼成した。試料番号2のみ、焼成後、再度密閉さやでチップとPbZrO3粉を入れて1000℃の温度で1000時間熱処理(アニール処理)を行った。 A predetermined number of printed sheets and non-printed sheets were laminated, then pressed together with a pressure of 150 MPa and cut to create a green chip. The green chips were heat-treated at 550° C. for 24 hours in the air to remove the binder. Next, the green chip was sealed in an alumina sealed sheath together with PbZrO 3 powder for creating a Pb atmosphere, and fired at 1350 to 1400° C. for 4 hours. For sample No. 2 only, after firing, the chip and PbZrO 3 powder were placed in a sealed sheath again, and heat treatment (annealing treatment) was performed at a temperature of 1000° C. for 1000 hours.
その後、チップの端面をサンドペーパーで磨き、Ag外部電極ペーストを塗布し、750℃の温度で焼き付け処理を行い、図1に示すような電気熱量効果素子を得た。 Thereafter, the end face of the chip was polished with sandpaper, an Ag external electrode paste was applied, and a baking process was performed at a temperature of 750° C. to obtain an electrocaloric effect element as shown in FIG. 1.
得られた素子の大きさは、セラミックス層の厚みが40μmである素子については、約L10.2mm×W7.2mm×T0.88であった。また、内部電極層に挟まれたセラミックス層は19層であり、電極面積は49mm2/層であり、総電極面積は49mm2×19層であった。なお、上記で得られた素子のセラミックス層の厚みは、素子の断面研磨した後、走査電子顕微鏡を用いて確認した。 The size of the obtained element was approximately L10.2 mm x W7.2 mm x T0.88 for an element in which the thickness of the ceramic layer was 40 μm. The number of ceramic layers sandwiched between the internal electrode layers was 19, the electrode area was 49 mm 2 /layer, and the total electrode area was 49 mm 2 ×19 layers. The thickness of the ceramic layer of the element obtained above was confirmed using a scanning electron microscope after polishing the cross section of the element.
<評価>
(組成)
得られた素子のセラミックス組成を、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法、及び蛍光X線分析法を用いて確認した。
<Evaluation>
(composition)
The ceramic composition of the obtained element was confirmed using high frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy and fluorescent X-ray analysis.
[結晶構造及びオーダー度]
(結晶構造)
得られた素子の結晶構造及びオーダー度(S111)を評価するために、粉末X線回折測定を行った。各ロットから無作為に素子を1つ選び、乳鉢で粉砕してからX線回折プロファイルを取得した。得られたX線回折プロファイルから、セラミックスの結晶構造がペロブスカイト構造であるかを確認し、また、不純物相(主にパイロクロア相)の有無と存在比率を強度比から見積もった。ペロブスカイト構造の存在比が0.9以上の場合を主成分はペロブスカイト構造を有しているとし、0.9より小さい場合は異相があると判断した。
[Crystal structure and degree of order]
(Crystal structure)
Powder X-ray diffraction measurements were performed to evaluate the crystal structure and degree of order (S 111 ) of the obtained device. One element was randomly selected from each lot, ground in a mortar, and then an X-ray diffraction profile was obtained. From the obtained X-ray diffraction profile, it was confirmed whether the crystal structure of the ceramic was a perovskite structure, and the presence or absence and abundance ratio of impurity phases (mainly pyrochlore phase) were estimated from the intensity ratio. When the abundance ratio of perovskite structure was 0.9 or more, it was determined that the main component had a perovskite structure, and when it was less than 0.9, it was determined that there was a different phase.
(オーダー度)
下記計算式から、Bサイトのオーダー度を見積もった。
The degree of ordering at site B was estimated using the formula below.
上記式中、I111及びI200は、それぞれペロブスカイト構造の111と200回折の強度であり、測定値とBサイトが完全にオーダーした構造から求めた計算値からBサイトのオーダー度を求めた。オーダー度が75%以上を良品とし、Go判定とした。結果を表1~7に示す。 In the above formula, I 111 and I 200 are the 111 and 200 diffraction intensities of the perovskite structure, respectively, and the order degree of the B site was determined from the measured value and the calculated value from the structure in which the B site is completely ordered. A product with an order degree of 75% or more was considered to be a good product and was judged as Go. The results are shown in Tables 1-7.
[耐電圧及び電気熱量効果]
直径50μmの極細K熱電対をカプトンテープで素子表面の中央部に張り付け温度を常時モニターし、外部電極両端にAgペーストで電圧印加用のワイヤーを接着し、高電圧発生装置を用いて電圧を印加した。
[Withstand voltage and electric heating effect]
An ultra-fine K thermocouple with a diameter of 50 μm is attached to the center of the element surface using Kapton tape to constantly monitor the temperature, a voltage application wire is glued to both ends of the external electrode with Ag paste, and a voltage is applied using a high voltage generator. did.
(電気熱量効果)
電気熱量効果は、図2の上段のグラフに示すようなシーケンスで試料に電圧を印加することにより評価した。即ち、まず、試料に電圧を印加し、そのまま電圧を保持し、次いで、印加電圧を除去し、そのまま保持し、この操作を繰り返して、電気熱量効果の変化を測定した。このようなシーケンスで電圧を印加した場合、電圧を印加する工程では、印加と同時に試料温度は上昇し、印加状態を保持する工程では、徐々に熱が拡散されて試料温度は電圧印加前と同じ温度まで低下し、印加電圧を除去する工程では、除去と同時に試料温度は低下し、非印加状態を保持する工程では、試料温度は徐々に元の温度まで上昇する。これは電圧印加、除去により強誘電体ドメインが揃ったり乱れたりすることに由来し、エントロピーが変化することでこのような吸発熱効果(電気熱量効果)が得られる。断熱温度変化ΔTは、上記のような電圧を印加及び除去した際の温度変化から求められる。具体的には、本実施例においては、15MV/mの電圧印加後に50秒間印加した状態で保持して温度を測定し、次いで、電圧除去後に50秒間印加なしの状態で保持して温度を測定した。このシーケンスを3回繰り返した。電圧印加及び電圧除去のシーケンス中は、常時素子の温度を測定し、その温度変化から断熱温度変化ΔTを求めた(本実施例では電圧を印加した際の温度変化、即ち、温度の上昇度をΔTとした)。この測定を、-90℃から160℃の温度範囲で行った。代表として、試料番号1、2及び5の結果を図3に示す。また、-5℃及び0℃における断熱温度変化ΔTが、それぞれ1.5K以上及び1K以上のものをGo判定とした。結果を表1及び表3~7に示す。
(Electric heat effect)
The electrocaloric effect was evaluated by applying voltage to the sample in the sequence shown in the upper graph of FIG. That is, first, a voltage was applied to the sample, the voltage was maintained as it was, then the applied voltage was removed and the voltage was maintained as it was, and this operation was repeated to measure changes in the electrocaloric effect. When voltage is applied in this sequence, in the step of applying voltage, the sample temperature rises at the same time as the voltage is applied, and in the step of maintaining the applied state, the heat is gradually diffused and the sample temperature remains the same as before voltage application. In the process of lowering the sample temperature to the same temperature and removing the applied voltage, the sample temperature decreases simultaneously with the removal, and in the process of maintaining the non-applied state, the sample temperature gradually increases to the original temperature. This is because the ferroelectric domains are aligned or disordered by voltage application or removal, and the change in entropy produces such heat absorption and heat absorption effects (electrocaloric effect). The adiabatic temperature change ΔT is determined from the temperature change when the above voltage is applied and removed. Specifically, in this example, after applying a voltage of 15 MV/m, the temperature was measured by holding the applied voltage for 50 seconds, and then after removing the voltage, the temperature was measured by holding the voltage in a non-applied state for 50 seconds. did. This sequence was repeated three times. During the sequence of voltage application and voltage removal, the temperature of the element was constantly measured, and the adiabatic temperature change ΔT was determined from the temperature change. ΔT). This measurement was carried out in a temperature range of -90°C to 160°C. As a representative, the results of
(耐電圧)
積層数を変えずにセラミックスの素子厚みのみを変え、耐電圧を測定した。耐電圧は上記電気熱量効果の測定と同様に電圧を素子に印可しその際の絶縁破壊の発生の有無について調べた。具体的には印可する電圧を10MV/mから5MV/mステップで大きくしていき、絶縁破壊が発生した電圧の一つ手前の電界強度を耐電圧と規定した。結果を表2に示す。
(Withstand voltage)
The withstand voltage was measured by changing only the thickness of the ceramic element without changing the number of laminated layers. The withstand voltage was determined by applying a voltage to the element in the same manner as in the measurement of the electrocaloric effect described above, and examining whether or not dielectric breakdown occurred at that time. Specifically, the applied voltage was increased in steps of 5 MV/m from 10 MV/m, and the electric field strength one level before the voltage at which dielectric breakdown occurred was defined as the withstand voltage. The results are shown in Table 2.
以下、上記の評価結果を示す。なお、表中「*」を付した試料は比較例であり、その他の試料は実施例である。 The above evaluation results are shown below. In addition, the samples marked with "*" in the table are comparative examples, and the other samples are examples.
(オーダー度とアニール処理の関係)
表1に示されるように、従来のPSTセラミックスであるPbSc0.5Ta0.5O3の組成を有する試料番号1及び2の試料では、アニール処理を行っていない試料番号1のオーダー度は0.63であったのに対し、1000時間アニール処理を行った試料番号2ではオーダー度が0.82と改善した。かかる結果から、PSTセラミックスのオーダー度は熱処理時間に強く依存し、高いオーダー度を得るためには1000時間という長時間の熱処理が必要であることが確認された。なお、上記では示していないが、従来のPSTセラミックスを用いたPt内部電極を有する積層体素子では、オーダー度は作製ロット間でばらつく問題がある。
(Relationship between order degree and annealing treatment)
As shown in Table 1, among samples No. 1 and No. 2 having the composition of PbSc 0.5 Ta 0.5 O 3 , which are conventional PST ceramics, the order degree of Sample No. 1 without annealing treatment is On the other hand, in
一方、本発明の範囲内である試料番号3~6は、アニール処理を行わなくてもオーダー度が0.75を上回る。即ち、本発明の範囲内である試料は、長時間の熱処理を行わなくても高いオーダー度を得ることができる。これは、極めて生産性が高いことを意味する。なお、上記では示していないが、比較的短い300時間のアニール処理をすることで、さらに高いオーダー度、例えば0.80を超えるオーダー度を得ることもできる。 On the other hand, sample numbers 3 to 6, which fall within the scope of the present invention, have order degrees exceeding 0.75 even without annealing. That is, samples within the scope of the present invention can obtain a high degree of order even without long-term heat treatment. This means extremely high productivity. Although not shown above, an even higher degree of order, for example, a degree of order exceeding 0.80, can be obtained by performing a relatively short annealing process of 300 hours.
(電気熱量効果と温度の関係)
電気熱量効果と温度との関係を示した図3に示されるように、本発明の範囲外である試料番号1及び2の試料は、20~30℃付近で断熱温度変化が極大となり、0℃付近では小さくなっている。これは、従来のPbSc0.5Ta0.5O3の組成を有する試料では、強誘電体温度転移が0~15℃付近にあり、その転移温度以上で大きな断熱温度変化が実現されることに由来する。この転移温度はオーダー度が低くなると低温にシフトするため、オーダー度の低い試料番号1の試料の方が、0℃で高い断熱温度変化を示す。一方、本発明の範囲内である試料番号5の試料は、断熱温度変化の最大値は、試料番号1及び2の試料よりも小さいが、広い温度範囲にわたってピークがブロードであり、-10℃付近で極大となり、0℃及び-10℃といった低温では、試料番号1及び2よりも大きな断熱温度変化を実現できた。これは、強誘電体転移温度を低温側に制御できたこと、アニール処理なしで高いオーダー度を実現できたためであると考えられる。
(Relationship between electric calorie effect and temperature)
As shown in FIG. 3, which shows the relationship between the electrocaloric effect and temperature, for samples Nos. 1 and 2, which are outside the scope of the present invention, the adiabatic temperature change reaches its maximum at around 20 to 30°C, and it reaches 0°C. It is getting smaller in the vicinity. This is because in the conventional sample with the composition of PbSc 0.5 Ta 0.5 O 3 , the ferroelectric temperature transition is around 0 to 15°C, and a large adiabatic temperature change is realized above that transition temperature. It originates from Since this transition temperature shifts to lower temperatures as the degree of order decreases,
(耐電圧とセラミックス層の厚みの関係)
表2に示されるように、本発明の範囲内である試料番号8~13のすべての試料で、15MV/m以上の耐電圧を実現できた。特に、セラミックス層の厚みを50μm以下、特に20μm以上50μm以下にした場合に、より高い耐電圧を示すことが確認された。これは、本発明に用いられるセラミックスの耐電圧は、BaTO3と比較すると低い傾向にあり、焼成時にPbなどの欠損により欠陥が残りやすい可能性があり、この残留した欠陥が耐電圧に影響していると考えられる。従って、セラミックス層の厚みが薄くなると、その分存在する欠陥の絶対数が少なくなること、あるいはセラミックスの焼結挙動が変化しそれにより欠陥数が減ったことによるものと推察される。ただし、セラミックス層の厚みが薄くなりすぎると、セラミックス自体の欠陥以上に、構造欠陥(例えば、内部電極の平滑性等)が支配的になり、耐電圧が少し低下すると考えられる。
(Relationship between withstand voltage and ceramic layer thickness)
As shown in Table 2, all samples numbered 8 to 13 within the scope of the present invention were able to achieve a withstand voltage of 15 MV/m or more. In particular, it was confirmed that a higher withstand voltage was exhibited when the thickness of the ceramic layer was 50 μm or less, particularly 20 μm or more and 50 μm or less. This is because the withstand voltage of the ceramics used in the present invention tends to be lower than that of BaTO 3 , and defects may easily remain due to defects such as Pb during firing, and these remaining defects may affect the withstand voltage. It is thought that Therefore, it is presumed that as the thickness of the ceramic layer becomes thinner, the absolute number of existing defects decreases accordingly, or that the sintering behavior of the ceramic changes, thereby reducing the number of defects. However, if the thickness of the ceramic layer becomes too thin, structural defects (for example, smoothness of internal electrodes, etc.) become more dominant than defects in the ceramic itself, and it is thought that the withstand voltage decreases a little.
(セラミックスの組成範囲)
表3~7に示されるように、本発明の範囲内と範囲外の組成で、結晶構造、オーダー度、断熱温度変化を比較すると、本発明の範囲内の試料は、アニール処理を行わなくても75%以上のBサイトオーダー度を実現でき、さらに0℃及び-10℃で、それぞれ1.5K及び1K以上の断熱温度変化を実現できることが確認された。本発明の範囲外の試料では、異相が多く出たり、オーダー度が不十分であったり、特に-10℃での断熱温度変化が小さく(1K未満)となった。
(Ceramic composition range)
As shown in Tables 3 to 7, when comparing the crystal structure, degree of order, and adiabatic temperature change between compositions within and outside the range of the present invention, samples within the range of the present invention do not require annealing treatment. It was also confirmed that it was possible to achieve a degree of B-site order of 75% or more, and it was also possible to realize adiabatic temperature changes of 1.5K and 1K or more at 0°C and -10°C, respectively. In samples outside the scope of the present invention, many different phases appeared, the degree of order was insufficient, and the adiabatic temperature change was particularly small (less than 1 K) at -10°C.
なお、上記の効果は、例えばNaの代わりにKやLaなどを用いた場合には得ることはできなかった。 Note that the above effect could not be obtained when, for example, K or La was used instead of Na.
本開示の電気熱量効果素子は、高い電気熱量効果を発現することができるので、例えば、空調、冷蔵庫又は冷凍庫などにおける熱マネジメント素子として用いることができ、また、種々の電子機器、例えば、熱対策問題が顕著化している携帯電話などの小型電子機器の冷却デバイスとして利用することができる。 Since the electrocaloric effect element of the present disclosure can exhibit a high electrocaloric effect, it can be used, for example, as a heat management element in air conditioners, refrigerators, freezers, etc., and can also be used in various electronic devices, such as heat countermeasures. It can be used as a cooling device for small electronic devices such as mobile phones, where the problem is becoming more prominent.
1…電気熱量効果素子
2a,2b…Pt電極層
4…セラミックス層
6…積層体
8a,8b…外部電極
1...
Claims (5)
(Pb1-xNax)m(Sc0.5-x/2-yTa0.5+x/2+y)O3
[式中、
xは、0.01≦x≦0.08を満たし、
yは、-0.03≦y≦0.03を満たし、
mは、0.97≦m≦1.03を満たす。]
で表されるセラミックスを主成分とする、電気熱量効果素子。 An electrocaloric effect element having a laminate in which an electrode layer whose main component is Pt and a ceramic layer are laminated, the ceramic layer having a perovskite structure and having the formula:
(Pb 1-x Na x ) m (Sc 0.5-x/2-y Ta 0.5+x/2+y ) O 3
[In the formula,
x satisfies 0.01≦x≦0.08,
y satisfies -0.03≦y≦0.03,
m satisfies 0.97≦m≦1.03. ]
An electrocaloric effect element whose main component is ceramic represented by
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