DE2444885B2

DE2444885B2 - Kondensator mit veränderlicher Kapazität

Info

Publication number: DE2444885B2
Application number: DE2444885A
Authority: DE
Inventors: Isao Isao Toyonaka Sumita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1974-09-19
Publication date: 1981-05-14
Also published as: FR2244792A1; DE2444885C3; GB1487344A; FR2244792B3; DE2444885A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit veränderlicher Kapazität der zwei durch eine Dielektrikumsschicht aus organischem Material getrennte Metallagen zweier Beläge aufweist, wie er z. B. aus der US-PS 33 49 302 bekannt ist.

ElektronendonatorZ-akzeptorkomplexe wurden bisher als organische Halbleiter untersucht. Während die meisten organischen Materialien Isolatoren sind, zeigen diese Komplexe eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit, und einige von ihnen sind als Photoleiter bekannt. Diese Eigenschaft wird z. B. in der Elektrophotographie gemäß der GB-PS 8 56 770 ausgenutzt, inciem PoIy-N-vinylcarbazol mit geringen Chinonzusätzen auf einem Papierträger als lichtempfindliche Schicht verwendet wird.

Die dielektrischen Eigenschaften dieser Elektronendonator/-akzeptorkomplexe wurden jedoch noch wenig untersucht, und ihre gezielte Anwendung in Kondensatoren ist bislang nicht bekannt geworden.

In Kondensatoren wurden bereits stark konjugierte Polymere aus einem Acen wie Terphenyl, Pyren oder auch Anthrachinon und Pyromellitsäureanhydrid als Dielektrikum mit erstaunlich hoher, jedoch stark frequenzabhängiger Dielektrizitätskonstanten gemäß der US-PS 3349 302 verwendet Diese Materialien eignen sich jedoch praktisch nur für Kondensatoren, bei denen eine hohe Frequenzabhängigkeit der Kapazität speziell gewünscht wird, und zeigen keine Verwandtschaft zu den im Kondensator gemäß der Erfindung verwendeten Polyvinylcarbazol-Chinonkompiexen.

Poly-N-vinylcarbazol aiiein wurde zwar bereits mit Glimmer gemischt (GB-PS 6 32 203) oder als Füm auf feuerfestem dielektrischem Material (CH-PS 3 30 644) als Dielektrikum für Kondensatoren vorgesehen. Auch in der AT-PS 1 45 852 werden als Anwendungsmöglichkeiten für N-Vinylcarbazolhomo- und -copolymere Isolierbänder und Kondensatorfolien genannt Auf der anderen Seite wurde auch Chinon als Zusatz für organische Dielektrika in Kondensatoren vorgeschla

gen (AT-PS 1 79 836), allerdings lediglich als Korrosionsinhibitor in Verbindung mit organischen, insbesondere aromatischen Halogeniden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kondensator zu schaffen, dessen Kapazität in Abhängigkeit vom Lichisinfail oder von der Größe einer angelegten Gleichspannung veränderlich ist

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Kondensator der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Dielektrikum mit einem Elektronendonator/-akzeptorkomplex aus N-Vinylcarbazolhomo- oder -copolymeren als Elektronendonator und einem Chinon-Elektronenakzeptor vorgesehen ist

Es wurde gefunden, daß die eingangs genannten N-Vinylcarbazolhomo- und -copolymer/Chinonkomplexe besonders günstige Dielektrika darstellen, deren Dielektrizitätskonstante (DK) erstaunlicherweise höher ist als die jeweilige DK der Komponenten (d. h. von Chinon bzw. Poly-N-vinylcarbazol). Beispielsweise hat ein 3 Mol-% ElektronendonatorAakzeptorkomplex aus Poly-fN-vinylcarbazol] und /9-Naphthochinon bei 20⁰C und 1 kHz eine DK von 5,1, was höher ist als die DK sowohl von Poly-[N-vinylcarbazol], nämlich 2,8, als auch von /3-Naphthochinon, nämlich 3,1. Der Komplex aus N-Vinylcarbazolhomo- oder -copolymeren und Chinon-Elektronenakzeptoren hat also eine höhere DK als die jeweiligen Donatoren.

Mit diesen Materialien können Kondensatoren erhalten werden, deren Kapazität in Abhängigkeit vom Lichteiiifall oder einer angelegten Gleichspannung veränderlich ist.

Als N-Vinylcarbazolcopolymere sind insbesondere
N-Vinylcarbazol-Styrol-Copolymere,
N-Vinylcarbazol-Vinylacetat-Copolymere,
N-Vinylcarbazol-Methylmethacrylat-Copolymere und

N- Vinylcarbazol- Fumaronitril-Copolymere
zu nennen, und als Chinon-Elektronenakzeptoren

p-Benzochinon, p-Chloranil, p-Bromanil, p-Jodanil, 2,3-Dichlor-5,6-dicyano-p-benzochinon,
Λ-Naphthochinon, /3-Naphthochinon,
Antrachinon oder 9,10-Phenanthrenchinon.
Alle derartigen Chinonverbindungen werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung global als »Chinon bzw. Chinonderivat« bezeichnet.

Das Komplexmaterial mit N-Vinylcarbazolhomo- oder -copolymeren als Elektronendonator kann leicht als Folie oder Film hergestellt und zur Bildung eines Kondensators auf beiden Seiten mit Metallschichten zweier Beläge versehen werden. Dabei haben N-Vinylcarbazolcopolymere eine noch höhere Flexibilität als N-Vinylcarbazolhomopolymere, was die Filmbildung noch weiter erleichtert.

Unter Ausnutzung der Erscheinung, daß die Dielektrizitätskonstante des Komplexes sich bei Lichteinstrahlung erhöht, ist der erhaltene Kondensator ein photovariabler Kondensator. Beispielsweise hat ein Komplex aus PoIy-[N-vinylcarbazol] und 9,10-Phenanthrenchinon mit einem Komplexbildungsverhältnis von 5 Mol-% im Dunkeln eine DK von 4,2 und bei Bestrahlung mit Licht einer 100-W-Wolframlampe (in 50 cm Abstand) eine DK von 4,8.

Wird die Kapazität des Kondensators gemäß der Erfindung nach Anlegen von Gleichspannung an den Kondensator gemessen, so ergibt sich im Vergleich zur Kapazität, die ohne angelegte Spannung gemessen wird, eine niedrigere Kapazität. Diese Erscheinung ist bei einer Reihe von Komplexen zu beobachten, die aus

N-Vinylcarbazolhomo- oder -copolymeren und Chinonen bestehen. Hierdurch wird ein variabler Kondensator geschaffen, dessen Kapazität sich mit der angelegten Gleichspannung ändert

Die Erfindung wird im folgenden .anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstanten und dem Komplexbildungsverhältnis für verschiedene Elektronenakzeptoren,

F i g. 2 die Beziehung zwischen der Frequenz und der Dielektrizitätskonstanten für verschiedene dielektrische Materialien, und

F i g. 3 die Beziehung zwischen der Frequenz und dem dielektrischen Verlust (tan δ) für die verschiedenen dielektrischen Materialien.

Beispiel 1

0-Naphthochinon wurde in einer i ösung von Poly-fN-vinylcarbazoJ] in Monochlorbenzol zur Bildung eines Komplexes aufgelöst Ein entsprechender Vorgang wurde für die anderen Elektronenakzeptoren (siehe Fig. 1) wiederholt Durch Änderung der Menge des aufgelösten Elektronenakzeptors wurde ein gewünschtes Komplexbildungsverhältnis erzielt. Die Lösung wurde dann zur Bildung eines Films auf eine Aluminiumplatte gegossen. Auf diesen wurde zur Bildung einer Metallschicht eines oberen Belags Aluminium aufgedampft Die Dielektrizitätskonstante des PoIy-[N-vinylcarbaüols] selbst betrug 2,8, die von p-Chloranil 2,6, die von p-Broma.nil 2,5, die von /f-Naphthochinon 3,1 und die von 9,10-Phenanthrenchinon 3,2. Die Dielektrizitätskonstanten der Komplexmaterialien aus den verschiedenen Elektronenakzeptoren und Poly-[N-vinylcarbazol] mit verschiedenen Komplexbildungsverhältnissen (Mol-% Akzeptor bezogen auf die N-Vinylcarbazoleinheiten des Polymeren) sind in Fig. 1 dargestellt. Sie wurden bei 20⁰C und 1 kHz gemessen. Mit v/achsendem Komplexbildungsverhältnis nimmt die Dielektrizitätskonstante zu. Eine entsprechende Charakteristik wurde mit den anderen Elektronenakzeptoren beobachtet.

Beispiel 2

Durch Radikalpolymerisation gebildetes Poly-[N-vinylcarbazol] mit einem Molekulargewicht von etwa 20 000 und ein 1 :1-Copolymerisat aus N-Vinylcarbazol und Styrol wurden jeweils durch Umfällung aus Benzol-Methanol-Mischung gereinigt und die resultierenden Produkte in Monochlorbenzol aufgelöst. Komplexbildung und Filmbildung erfolgten in gleicher Weise

lu wie in Beispiel 1.

Das Komplexbildungsverhältnis des N-Vinylcarbazol-Styrol-Copolymerisats ist das prozentuale Molverhältnis des Elektronenakzeptors zu den N-Vinylcarbazoleinheiten im Copolymeren.

F i g. 2 und 3 zeigen die Frequenzcharakteristiken der Dielektrizitätskonstanten bzw. der dielektrischen Verluste lür das Poly-N-vinylcarbazol, das 1 : 1-Copolymerisat von N-Vinylcarbazol und Styrol und deren jU-Naphthochinon-Komplexe mit einem Komplexbildungsverhältnis von 5%. Die Beobachtung, daß die Dielektrizitätskonstante durch die Komplexbildung erhöht wird, erweist sich auch für das Copolymerisat als zutreffend. Das Copolymerisat hatte einen niedrigeren dielektrischen Verlust als das Homopolymere. Diese

2) Erscheinung trifft auch für die anderen Elektronenakzeptoren zu.

Beispiel 3

Die Kapazitäten von Kondensatoren gemäß der Erfindung sind in der Tabelle wiedergegeben. Es zeigen sich die folgenden Beziehungen:

C > Qx und C < Cp/,,,,,,

wobei C die elektrostatische Kapazität, Q_x die r, elektrostatische Kapazität bei Anlegen von Gleichspannung und Cphuii) die elektrostatische Kapazität unicr l.ichteinfall der Kondensatoren sind.

Als Dielektrika dienten Komplexmaterialien aus Poly-[N-vinylcarbazol] und Λ-Naphthochinon, ß-Naph- AO thochinon, Antrachinon, 9,10-Phenanthrenchinon, 2,3-Dichlor-5,6-diamino-p-benzochinon, p-Chloranil, p-Bromanil bzw. p-Benzochinon mit einem Komplexbildungsverhältnis von 5 Mol-%.

Elcklronenak/cptor	C (pF)	Qm -<pF)	ί',.*,«« (PF)
j-Nßphthochpnon	1820	1588	2360
/J-Naphthochinon	2056	1737	2432
9,10-Phenanthrenchinon	1628	1411	1871
Anthrachinon	1671	1343	1897
p-Chloranil	2297	1934	2486
p-Bromanil	1992	1803	2181
p-Benzochinon	2143	1816	2436
2,3-Dichlor-5,6-diamino-p-benzochinon	2136	1803	2517

Die durch die abgelegte Gleichspannung erhaltene elektrische Feldstärke lag bei 3 bis 7 χ 103 v/cm und die Messung wurde be· 20⁰C und 1 kHz durchgeführt. Das Licht wurde mit einer 100-W-Wolframlampe aus einem Abstand von 50 cm aufgestrahlt. Entsprechende Charakteristiken wurden mit einem N-Vinylcarbazolcopolymerkomplex erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kondensator mit veränderlicher Kapazität der zwei durch eine Dielektrikumsschicht aus organischem Material getrennte Metallagen zweier Beläge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dielektrikum mit einem ElektronendonatorAakzeptorkomplex aus N-Vinylcarbazolhomo- oder -copolymeren als Elektronendonator und einem Chinon-Elektronenakzeptor vorgesehen ist

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymere ein N-Vinylcarbazol-Styrol-Copolymeres, ein N-Vinylcarbazol-Vinylacetat-Copolymeres, ein- N-Vinylcarbazol-Methylmeihacfylat-Copolymeres oder ein N-Vinylcarbazol-Fumaronitril-Copolymeresist.

3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Chinon bzw. Chinonderivat p-Benzochinon, p-Chloranil, p-Bromanil, p-Jodanil, i.S-Dichlor-S.ö-dicyano-p-benzochinon, «-Naphthochinon, jJ-Naphthochinon, Anthrachinon oder 9,10-Phenanthrenchinon ist.