JP2022502853A - エネルギー貯蔵装置用の基板を処理する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、エネルギー貯蔵デバイス用基板を処理する方法に関し、移動する基板を搬送するように構成されたドラムを提供するステップを含み、ドラムは電磁荷電を有する。移動される基板が提供され、複数の効果ステーションがドラムの円周の周りに設けられる。各硬化ステーションにおいては、移動する基板の表面に前駆体を堆積させるステップと、プラズマを生成するステップと、移動する基板の表面にプラズマを向けて、実質的に前記基板の温度を上げることなく前駆体を反応させ、基板上に材料層を形成するステップと、が実行される。

Description

本発明は、エネルギー貯蔵装置用の基板及びその処理方法に関する。

セラミックベースやフィルムベースのコンデンサは、制御計測や電力用途など、さまざまな用途に役立つ。フィルムコンデンサは、ロール・ツー・ロール（ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ）プロセスで製造されることが多く、ポリマやフレキシブルな基板が絶縁材料（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）となり、しばしばフィルム上に真空コーティングされた導体で挟まれている。セラミックコンデンサのコーティングは、適切なあらゆる基板に適用可能であり、ロール・ツー・ロールプロセスでフレキシブル基板に適用すると、低コストで生産速度を上げることができる。また、その他の材料を使って商業用のコンデンサを作ることも可能であり、これらをフレキシブルな基板に適用することで、巻線や層状の商業製品に容易に変形できるコンデンサ構造を作ることができる。

コンデンサに適したコーティングを製造する方法はいくつか知られており、例えば高速物理蒸着法（ＰＶＤ）などがある。この方法は比較的高速で低コストであるが、比較的薄く、場合によっては多孔質で欠陥のあるコーティングになることがあり、導体で挟まれたとき、ピンホールが短絡を起こすことがあり得る。反応性スパッタリング（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、化学蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、原子層蒸着（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）など、さまざまな周知の手法によりコーティングの特性向上が達成可能である。しかし、これらの技術はいずれも低速であるため、特にロール・ツー・ロールプロセスで使用する場合はコストが高くなる。

ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマＣＶＤ）も、コーティングを製造する既知の技術である。しかし、ＰＥＣＶＤでは、生成されたプラズマゾーンでのみコーティングが堆積するため、堆積速度に限界がある。前駆（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）物質の塗布量を増やすと、プラズマがクエンチしてしまい（プロセス圧力が高くなるため、プラズマを維持するためには電圧を高くする必要が生じる）、コーティングの堆積が停止してしまう。そのため、この技術では高品質のコーティングを行うことができるが、低速技術であるため、この技術をロール・ツー・ロールプロセスに使用した場合、ラインスピードが低下する。

原理的には、多くのコーティングエリアを使用し、各ステージで同じＰＥＣＶＤプロセスを使用することで、コーティングの速度を向上させることができる。このようなアプローチでは、各ステーションが通過され基板をコーティングできるように、長いウェブパス（ｗｅｂ ｐａｔｈｓ）の結果となる。必要なコーティング品質を得るための各ステーションでの堆積速度は、材料の流れ、印加電力、局所的な真空レベルなどに関係する。そのため、大規模で複雑な制御システムが必要となり、真空ポンプの速度変動、ガスコンダクタンスの変動、局所的な履歴などの、真空中での安定化の動力学（ｋｉｎｅｔｉｃｓ）を考慮すると、いくつかの不安定性を伴い、制御下にないガス負荷（ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｇａｓ ｌｏａｄ）など、が加わる。

ラインスピードを上げるために、１つの電源から電力供給される複数のレーストラック（ｒａｃｅｔｒａｃｋ）が使用されている。しかし、このような構成にはいくつかの欠点がある。具体的には、レーストラックの安定性と均一性を確保することが非常に難しい可能性があるということである。プラズマローラの円周上のガス圧や前駆体（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）の配達量に差やばらつきがあると、個々のレーストラックへの電力が不均一になってしまう。したがって、このような構成は、単一の電源から複数の個別のレーストラックが生成される場合、非常に高い工学的許容公差と、磁石およびプロセス圧力の厳格な制御および一貫性を必要とする。

本発明の目的は、前述の問題の少なくとも１つ、またはそれ以上を緩和または軽減することである。

本発明によれば、添付の請求項１から１７に記載のエネルギー貯蔵装置用基板を処理する方法、添付の請求項１８から３３に記載のエネルギー貯蔵装置用基板、および添付の請求項３４から３６に記載のエネルギー貯蔵基板が提供される。

本発明の第一の態様によれば、以下の方法が提供される。
エネルギー貯蔵装置用の基板を処理する方法であって、
移動する基板を搬送するように構成されたドラムを提供するステップであって、該ドラムは、電磁荷電を有するステップと、
移動される基板を提供するステップと、
ドラムの円周の周りに複数の硬化（ｃｕｒｉｎｇ）ステーションを設けるステップと、を含み、
各硬化ステーションにおいては、
移動する基板の表面に前駆体を堆積させるステップと、
プラズマを生成するステップと、
移動する基板の表面にプラズマを向けて、実質的に基板の温度を上げることなく前駆体を反応させ、基板上に材料層を形成するステップと、が実行される、方法。

プラズマは、好ましくは反応性ガスを含む。このようにして、プラズマが前駆体を解離させ、反応性ガスが解離した前駆体と反応して、材料層を形成する。

このように基板を処理することで、前駆体とプラズマの反応が複数の部位で同時に発生し、材料層を形成することができ、処理の速度と均一性が向上する。プラズマを使用することで、温度を大幅に上昇させ、基板にダメージを与えることなく基板を処理することがでる。ある実施形態において、基板の温度を１００℃未満に維持することができる。このようにして、本方法は、低温のロール・ツー・ロールプロセスでエネルギー貯蔵装置を製造するのに適している。さらに言えば、ピンホールのない材料層を低温かつ高速で製造することができる。

本発明の代替的な態様において、以下の方法が提供される。
エネルギー貯蔵装置用の基板を処理する方法であって、
移動する基板を搬送するように構成されたドラムを提供するステップであって、該ドラムは、電磁荷電を有するステップと、
移動される基板を提供するステップと、
材料コーティングの気化した前駆体を提供するステップと、
ドラムの円周の周りに互いに間隔を置いて配置された複数の硬化ステーションを提供するステップと、を含み、
各硬化ステーションにおいては、
反応性ガスを含むプラズマを生成するステップが実行され、
プラズマは、ドラムの電磁荷電によって空間的に画定され、
各硬化ステーションにおいてはさらに、
気化した前駆体をプラズマと混合するステップが実行され、
前駆体はプラズマによって解離され、解離した前駆体を反応性ガスと反応させて、実質的に基板の温度を上昇させることなく、材料層として基板上に堆積させて材料コーティングを形成する、
方法。

下記の実施形態は、本発明の第一の及びさらなる態様に関連する。

特定の実施形態では、本方法は、ドラム、複数の硬化ステーション、および基板が設けられた真空チャンバを提供するステップを含む。

特定の実施形態では、交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）の高電圧電源によってドラムに電力が供給される。

特定の実施形態では、材料層は、絶縁材料を含む。絶縁材料は酸化チタンでもよい。

特定の実施形態では、材料層は、以下の１つ以上から選択される絶縁材料を含む：酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、およびチタン酸カルシウム銅。

特定の実施形態では、絶縁材料は、鉄、セリウム、マンガン、およびカルシウムのうちの１つまたはそれ以上でドープされている。

特定の実施形態では、プラズマは、反応性ガスを含む。より具体的には、プラズマは、反応性ガスまたは反応性ガス混合物を含む。本明細書で使用されるにあたり、「反応性ガス」は、希ガス以外のガスを意味し、「反応性ガス混合物」は、希ガスの一部を含むガスの混合物を意味する。さらにより具体的には、反応性ガスまたは反応性ガス混合物は、酸素、窒素などの１つ以上である、又はそれを含む。

特定の実施形態では、移動される基板は、複数の溝を含み、各溝は第一の面と第二の面を有し、第一の面と第二の面はそれぞれ非絶縁性材料のコーティングを有する。特定の実施形態では、溝の面および／または第二の面は、非絶縁性材料で部分的または実質的に完全にコーティングされていてもよい。理論に縛られることなく、特定の実施形態では、溝の面および／または第二の面が非絶縁性材料で部分的にコーティングされていることが好ましい。このようにして、溝内に堆積された材料層は、溝の面上の非絶縁性材料よりも長く溝内に延びる。

特定の実施形態では、本方法は、ドラムの円周の周りに位置する複数の硬化ステーションを提供するステップを含む。
各硬化ステーションは、
複数の溝のうち、少なくとも１つの溝に前駆体を堆積させるステップと、
プラズマを生成するステップと、
プラズマを少なくとも１つの溝に向けて、溝内の前駆体を反応させ、溝内に材料層を形成するステップと、を実行する。
このようにして、本処理は、基板上の溝内に多層の材料を提供するために使用することができる。

代替的な実施形態では、本方法は、ドラムの円周の周りに位置する複数の硬化ステーションを提供するステップを含む。
各硬化ステーションは、
反応性ガスを含むプラズマを生成するステップと、
プラズマと気化した前駆体を混合して前駆体を解離させ、解離した前駆体を反応性ガスと反応させて材料コーティングを形成するステップと、
プラズマを少なくとも１つの溝に向けて、材料コーティングを堆積させ、溝内に材料層を形成するステップと、を実行する。
このようにして、本処理は、基板上の溝内に多層の材料を提供するために使用することができる。

解離した前駆体は、反応性ガスと反応して、溝に堆積したときに材料層を形成する材料コーティングを提供することができる。

特定の実施形態では、複数の硬化ステーションは、同じ前駆体を堆積または生成するように構成されている。したがって、複数の硬化ステーションで複数の薄層を形成することにより、材料の厚さを増加させることができる。

特定の実施形態では、複数の硬化ステーションは、少なくとも２つの異なる前駆体を堆積または生成するように構成されている。したがって、前駆体に選ばれる材料を変化させることができる。所望される材料特性に応じて、異なるステーションで異なる前駆体を使用することができる。例えば、所望の電気的特性に基づいて、または所望の機械的特性に基づいて、材料を選択することができる。

特定の実施形態では、複数の硬化ステーションは、少なくとも２つの異なる前駆体が、または代替的な実施形態では、少なくとも２つの異なる前駆体から形成された材料コーティングが、交互に続けて少なくとも１つの溝に堆積されるように提供される。より具体的には、少なくとも２つの異なる前駆体が、または代替的な実施形態では、少なくとも２つの異なる前駆体から形成された材料コーティングは、少なくとも２つの異なる前駆体、または代替的な実施形態では、少なくとも２つの異なる前駆体から形成された材料コーティングが、繰り返しパターンで互いに積み重ねられるように、少なくとも１つの溝に堆積される。少なくとも２つの異なる前駆体を交互のパターンで堆積させることができる、あるいは代替的な実施形態では、反応性ガスを含むプラズマと反応して、少なくとも２つの異なる前駆体から形成される材料コーティングを提供する少なくとも２つの異なる前駆体を生成することができる複数の硬化ステーションを設けることにより、前駆体の配置を所望の電気的特性に基づいてカスタマイズすることができる。より具体的には、デバイスに蓄えられるエネルギー量を増やすように配置をカスタマイズすることができる。このようにして、電位差が電気的破壊を引き起こす場合、溝内または基板表面に形成されたコンデンサの破壊電圧は、隣接する２つの電極間のコンデンサ材料の厚さに依存しない（隣接する電極間にはコンデンサ材料のみが存在する）。

特定の実施形態では、２つの異なる前駆体は、絶縁材料と導電性材料の前駆体である。より具体的には、絶縁材料と導電性材料は、交互に続いて堆積される。

特定の実施形態では、溝が材料層で満たされると、最終硬化ステーションが絶縁材料または導電性材料の前駆体を堆積または生成する。

特定の実施形態では、溝が部分的に充填され、溝の第一の面の材料層と第二の面の材料層との間にエアギャップが存在し、最終硬化ステーションが溝に導電性材料を堆積または生成する。このようにして、溝の静電容量特性を支配することになる空気を絶縁体とするコンデンサがギャップ内に形成されないようにする。

特定の実施形態では、非絶縁材料は、導体材料（ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）である。

特定の実施形態では、前駆体は、移動する基板の表面に堆積する前に気化する。代わりに、前駆体をプラズマと混合する前に気化させ、気化した前駆体を解離させることも可能である。

特定の実施形態では、各材料層は、各溝の第一の面と第二の面の間で連続している。より具体的には、各絶縁材料層は、各溝の第一の面と第二の面の間で連続している。

特定の実施形態では、前駆体が導電性材料である場合、導電性層は溝の中で不連続である。より具体的には、導電性材料層は、電気的に互いに分離された第一および第二の部分を含む。このようにして、溝を横切る電気的短絡が回避される。特定の実施形態では、前駆体は、チタン、タンタル、ニオブ、バリウム、ストロンチウム、または銅のうちの１つの前駆体であってもよい。

特定の実施形態では、本方法は、コーティング処理を使用して、移動する基板の表面上に非絶縁性（例えば、導電性）材料層を塗布するステップを含む。コーティング処理は、例えば、非絶縁性（例えば、導電性）材料層が基板の溝に堆積される場合には、軸外（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）コーティング処理であってもよい。

特定の実施形態では、非絶縁性（例えば、導電性）材料層は、絶縁材料層の上に順次塗布される。このようにして、絶縁材料層と非絶縁性材料層を交互に移動基板の表面に、または、特定の実施形態では、移動基板の溝に堆積する。

特定の実施形態では、第一の面の非絶縁性材料と第二の面の非絶縁性材料は、電気的に互いに分離されている。

特定の実施形態では、ドラムは冷却剤によって冷却される。

特定の実施形態では、前駆体は金属有機（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ）前駆体である。

特定の実施形態では、金属有機前駆体は、以下の１つまたは複数である。チタン（IV）イソプロポキシド、チタン（IV）エトキシド、塩化チタン（IV）、タンタル（V）エトキシド、塩化タンタル（V）、ニオブ（V）エトキシド、塩化ニオブ（V）、η5-シクロペンタジエニル-テトラカルボニルニオブ、ビスディピバロイルメタン酸バリウム、およびバリウムヘキサフルオロアセチルアセトナートペンタエチレングリコールエチルブチルエーテル。

特定の実施形態では、前駆体は以下のものであるか、またはこれらを含む。チタンイソプロポキシド、チタンエトキシド、鉄イソプロポキシド、フェロセン、ジメチルフェロセン、トリス（2,2,6,6-テトラメチル-3,5-ヘプタンジオナート）鉄（III）、セリウムイソプロポキシド、テトラキス（2,2,6,6-テトラメチル-3,5-ヘプタンジオナート）セリウム（IV）、ビス（n-プロピルテトラメチルシクロペンタジエニル）バリウム、ビス（2,2,6,6-テトラメチル-3,5-ヘプタンジオナート）バリウムハイドレート、バリウムチタン（IV）2-エチルヘキサノエートペンタイソプロポキシド、塩化チタン（IV）、塩化タンタル（V）、ニオブ(V)エトキシド、塩化ニオブ(V)、η5-シクロペンタジエニル-テトラカルボニルニオブ、ビスジピバロイルメタナートバリウム、またはバリウムヘキサフルオロアセチルアセトナートペンタエチレングリコールエチルブチルエーテル。

特定の実施形態では、前駆体は二酸化チタンの前駆体を含む。

特定の実施形態では、前駆体は、以下のうちの１つ以上の前駆体を含む。酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、およびチタン酸カルシウム銅。

本発明のさらなる態様によれば、本発明の第一の態様による方法で処理されたエネルギー貯蔵装置用の基板が提供される。

本発明のさらに別の態様によれば、本発明のさらなる態様の方法によって処理されたエネルギー貯蔵装置用の基板が提供される。

特定の実施形態では、エネルギー貯蔵装置用の基板は、
複数の溝であって、各溝は、第一の面および第二の面を有し、第一の面および第二の面は、それぞれ、非絶縁性材料のコーティングを有する、複数の溝と、
複数の溝の各溝内の複数の材料層であって、各材料層は、各溝に前駆体を堆積させ、該前駆体をプラズマと反応させることによって形成されている、材料層と、を含む。
このようにして、基板は、堆積された前駆体を受け取るための増大した表面積と、前駆体をプラズマと反応させるためのより大きな表面積を有する。

特定の実施形態では、エネルギー貯蔵装置用の基板は、
複数の溝であって、各溝は、第一の面および第二の面を有し、第一の面および第二の面は、それぞれ、非絶縁性材料のコーティングを有する、複数の溝と、
複数の溝の各溝内の複数の材料層であって、各材料層は、気化した前駆体を生成することによって形成される、複数の材料層と、
反応性ガスを含むプラズマを生成するステップと、
気化した前駆体をプラズマと混合して、前駆体をプラズマで解離させ、解離した前駆体を反応性ガスと反応させて材料コーティングを形成し、これを材料層として基板上の各溝に堆積させるステップと、を含む。

特定の実施形態では、複数の材料層は、絶縁材料層を含む。絶縁材料は、二酸化チタンであってもよい。

特定の実施形態では、複数の材料層のそれぞれは、同じ材料を含む。

特定の実施形態では、複数の材料層は、少なくとも２つの異なる材料の層を含む。このように、材料層の配置は、所望の電気的特性に基づいてカスタマイズすることができる。より具体的には、デバイスに蓄えられるエネルギーの量を増やすように、配置をカスタマイズすることができる。

特定の実施形態では、異なる材料の少なくとも２つの層において、少なくとも１つの層が絶縁材料を含み、少なくとも１つの層が導体材料を含む。

特定の実施形態では、少なくとも２つの異なる材料層が交互に続いて配置されている。より具体的には、少なくとも２つの異なる材料層が、繰り返しパターンで互いに積み重なるように配置されている。

特定の実施形態では、少なくとも１つの材料層が、誘電率が１０以上のコンデンサ材料を含む。

特定の実施形態では、少なくとも１つの材料層が、ポリマ材料を含む。

特定の実施形態では、ポリマ材料はコンジュゲートされている。

特定の実施形態では、少なくとも１つの層が導電材料を含む。

特定の実施形態では、少なくとも１つの材料層が放射線硬化性（ｒａｄｉｏ−ｃｕｒａｂｌｅ）バインダを含む。

特定の実施形態では、各材料層の厚さは、５ｎｍ〜３００ｎｍである。各材料層は、約１００ｎｍの厚さを有することが好ましい。

特定の実施形態では、エネルギー貯蔵装置用の基板は、各溝に少なくとも２つの絶縁材料層を含む。

特定の実施形態では、エネルギー貯蔵装置用の基板は、少なくとも２つの絶縁体層と、これらの絶縁体層の間に配置された導電体層とを含む。

本発明のさらに別の態様によれば、複数の溝を含むエネルギー貯蔵基板が提供され、各溝は、第一の面および第二の面を有する。第一の面および第二の面は、それぞれ、非絶縁性材料のコーティングを有する。各溝は、材料層の前駆体を各溝に堆積させ、前駆体をプラズマと反応させることによって形成された複数の材料層をそれぞれ有している。

本発明のさらなる態様によれば、複数の溝を含むエネルギー貯蔵基板が提供され、各溝は、第一の面および第二の面を有する。第一の面および第二の面は、それぞれ、非絶縁性材料のコーティングを有する。各溝は、気化した前駆体と、反応性ガスを含むプラズマとを反応させることによって形成された材料のコーティングを、材料層として各溝に堆積させることによって形成された複数の材料層をそれぞれ有する。

特定の実施形態では、溝の面および／または第二の面は、非絶縁性材料で部分的または実質的に全体的にコーティングされていてもよい。理論に拘束されることなく、特定の実施形態では、溝の面および／または第二の面が非絶縁性材料で部分的にコーティングされていることが好ましい。このようにして、溝内に堆積された材料層は、溝の面上の非絶縁性材料よりも長く溝内に延びる。

本発明のさらに別の態様によれば、複数の材料層を含む平面型エネルギー貯蔵基板が提供される。各材料層は、材料層の前駆体を堆積させ、前駆体をプラズマと反応させることによって形成される。

代わりに、各材料層は、材料層の気化した前駆体と、反応性ガスを含むプラズマとを反応させて形成した材料コーティングを、材料層として堆積させることによって形成される。

本発明の実施形態は、添付の図面を参照してされにここから説明される。

図１は、先行技術による基板の硬化又は処理用の装置の模式図である。 図２は、蛇行したレーストラックを有する本発明の実施形態に係る方法で使用するドラムの模式図である。 図３は、図２に示されるレーストラックを作成する磁石アレイの模式図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る溝ベースのコンデンサにおいて複数の材料層を提供する方法を模式的に示す。 図５は、複数のコーティングされた材料層及び中間導体を備えた本発明の一実施形態に係る平らな基板の模式図である。 図６は、エネルギー貯蔵装置を作るために中間導体コーティングで別個のコーティング工程の間に充填される場合の溝ベースのコンデンサを含む本発明の一実施形態に係る基板の模式図である。 図７ａは、絶縁性材料層及び中間導体層で充填された溝を含むエネルギー貯蔵装置用基板の模式図である。 図７ｂは、図７ａの基板の、結果としての等価回路図である。 図８は、溝付き基板の一部の三次元模式図であり、外部コーティングのために必要とされる構成を示し、単一の充填又は複数の導体コンデンサの交互層を備える容量構造を作るようにコーティング／充填がされ得る基板領域を画定する。 図９は、溝ベースのエネルギー貯蔵装置用基板がコンデンサ材料によってどのように充填され、次に表面コーティングされるかを示す三次元模式図であり、容量増大のために含まれる上部浮遊電極も有効な容量回路を含み、回路内でどの導体がどの接続部を形成するかが示される。 図１０は、基板を硬化又は処理するための装置の模式図である。 図１１は、基板を硬化又は処理するための装置の模式図である。 図１２は、基板を硬化又は処理するための装置の模式図である。

図１は、回転ドラム１０２を含む、基板を処理または硬化するための従来技術による装置１００を示しており、ドラム１０２の表面上を移動するウェブ基板１０４を搬送する。ドラム１０２に隣接して、前駆体入口１０６が設けられ、基板が前駆体入口１０６の下を通過する際に、基板に前駆体１０８を塗布するように配置されている。ドラム１０２に隣接し、プロセスラインに沿って前駆体入口１０６の後には、プラズマ１１２を生成するように構成されたプラズマ生成器１１０が配置されている。ドラム１０２の内部、または代わりにその外側には、プラズマ１１２を空間的に画定するように配置された磁石アレイ１１４が設けられている。この装置は、真空チャンバ（図示せず）内に配置されている。図１に示す実施形態では、ウェブ基板は、例えばＰＥＴのようなポリマフィルムである。しかし、任意の適切なウェブベースの基板を使用することができる。

図２に示すように、磁石アレイ１１４は、ドラム１０２の表面の周りに蛇行した形状のレーストラック２０２を生成するように構成されている。レーストラック２０２は、蛇行したレーストラック２０２を形成するために、湾曲した端部部分２０６によって交互の端部で一緒に連結された多数の直線の磁束部分２０４を含む。

図３は、図２の磁石アレイ１１４を示している。この磁石アレイは、磁石３０４のＮ極がドラム１０２の半径方向を向き、磁石３０４のＳ極がドラム１０２の中心を向くような極性を持つ、第一の細長い磁石３０４を含む。

第二の細長い磁石３０６は、第一の細長い磁石３０４に隣接して配置されている。第二の細長い磁石３０６は、第一の細長い磁石３０４から間隔を空けて配置されており、第二の細長い磁石３０６の長手方向の軸は、第一の細長い磁石３０４の長手方向の軸と平行に配置されている。第二の細長い磁石３０６は、第二の細長い磁石３０６のＳ極がドラム１０２の半径方向外側を向く方向を向き、磁石３０６のＮ極がドラム１０２の中心を向く方向を向くように、第一の細長い磁石３０４とは逆の極性を有する。

第三の細長い磁石３０８は、第二の細長い磁石３０６に隣接して配置されている。第三の細長い磁石は、第二の細長い磁石３０４から間隔をあけて配置されており、第三の細長い磁石３０８の長手方向の軸は、第一の細長い磁石３０４および第二の細長い磁石３０６の長手方向の軸と平行に配置されている。第三の細長い磁石は、第一の細長い磁石３０４と同じ極性を有している。

第四の細長い磁石３１０は、第三の細長い磁石３０８に隣接して配置されている。第四の細長い磁石は、第三の細長い磁石３０４から間隔をあけて配置されており、第四の細長い磁石３１０の長手方向の軸は、他の細長い磁石３０４、３０６、および３０８の長手方向の軸と平行に配置されている。第四の細長い磁石は、第二の細長い磁石３０４と同じ極性を有している。

第一および第三の細長い磁石（それぞれ３０４および３０８）の横方向の中心は、互いに整列している。第二および第四の細長い磁石（それぞれ３０６および３１０）の横方向の中心も互いに整列しているが、第二および第四の磁石３０６、３１０の横方向の中心は、第一および第三の細長い磁石３０４、３０８の横方向の中心に対してオフセットされている。このように、磁石アレイ１１４は、各細長い磁石が、隣接する細長い磁石の後ろ端部に比べて第一の端部が早期に終了し、第一の端部の周りの磁束の流れを促進する通路領域と、第二の端部が隣接する磁石の端部を超えて突出し、磁石の第二の端部の周りの磁束の流れを阻害する阻止領域と、を画定するように配置されている。

図４は、複数のコーティングを介して充填され、充填されたコンデンサ容量を生成する溝ベースのコンデンサを示している。図４に描かれている基板４０２のセクションは、第一の面４０４ａおよび第二の面４０４ｂをそれぞれ有する３つの溝４０４を有する。第一の面４０４ａは、導体材料４０６ａでコーティングされ、第二の面４０４ｂは、導体材料４０６ｂでコーティングされている。第一の面４０４ａ上の導体材料４０６ａと、第二の面４０６ｂ上の導体材料４０６ｂとは、互いに電気的に分離されている。基板を硬化または処理する方法を示す図１０でよりよくわかるように、基板は、ドラム１００２の円周の周りに配置された複数の硬化ステーションによって処理される。各硬化ステーションは、二酸化チタンの前駆体を基板４０２の溝４０４に堆積させ、生成されたプラズマ１０１０を溝４０４に向けるように配置された前駆体堆積ステーション１００８を有する。前駆体は、堆積させる前にまず気化させてもよい。

図４の参照に戻ると、生成されたプラズマを溝４０４に向けると、溝４０４内の前駆体と反応して、その中に材料層が形成される。この処理を繰り返すことで、溝４０４内に複数の二酸化チタン絶縁材料の層が形成され、溝４０４の容積を満たすようになる。材料層は、各溝４０４ｂの第一の面４０４ａと第二の面４０４ｂとの間で連続している。この実施形態では、複数の硬化ステーションは、同じ前駆体、すなわち二酸化チタンの前駆体を堆積させるように構成されている。しかし、複数の硬化ステーションは、導体材料と金属有機物の前駆体または非金属有機ポリマの前駆体などの異なる前駆体を堆積するように構成することができ、または、多数の可能なバリエーションで配置された少なくとも２つの異なるタイプの前駆体を堆積するように構成することができることが理解されるであろう。例えば、前駆体が繰り返されるパターンで互いに積み重ねられる（すなわち、層状になる）交互の配列である。別の実施形態では、気化した二酸化チタンの前駆体は、硬化ステーションで生成された反応性のある酸素ガスを含むプラズマとともに、真空チャンバ（図示せず）に送られる。プラズマは前駆体を解離させる働きがあり、解離した前駆体はプラズマ中の酸素と反応して二酸化チタン材料のコーティングを形成し、これが溝４０４に堆積される。 プラズマは、磁気アレイによって空間的に定義され、材料コーティングが基板上の現在の位置に堆積されるようになっている。

図５は、複数のコーティング層を持つエネルギー貯蔵装置用の平らな基板を示す。この基板は、ベース層５０１、またはＰＥＴまたは同様のものと、多数の材料層５０３とを有する。絶縁体層５０３は、絶縁体層５０３と導体５０２の交互の配列が形成されるように、中間導体層５０２によって互いに分離されている。このような絶縁体層５０３と導体の交互配列により、基板の動作電圧が向上する。

図６は、溝ベースのコンデンサを構成するエネルギー貯蔵装置用基板の一部を示している。溝ベースのコンデンサ６０２は、中間の不連続導体層６０６を有する複数の連続絶縁体層６０４で満たされている。不連続導体層６０６は、溝の底部の領域において、互いに電気的に分離された２つの部分を含む。このようにして、溝の中での電気的な短絡が回避される。また、コンデンサ６０２は、複数の絶縁体層６０４の上に配置された導体層６０８を有する。本実施形態では、コンデンサ６０２は、導体層６０６を有しているが、溝６１０が絶縁材料で満たされ、溝６１０の第一の面６１４ａおよび第二の面６１４ｂ上の導電性コーティング６１２が絶縁材料を介して電気的に接続されるように、コンデンサ６０２を絶縁体層６０４のみで形成することができることが理解されるであろう。複数の交互に重ねて配置された絶縁体層６０４と導体層６０６を持つことにより、デバイスの電圧が高められる。

図７ａは、中間導体層７１０を備えた複数の絶縁体層７０４によって充填された溝７０２を含むエネルギー貯蔵装置用基板の一部を示す。溝７０２には、溝７０２をオーバーフィルする最終的な絶縁体層７０８が設けられている。複数のコーティング層７０４、７１０、７０８は、それによって、溝７０２の第一の面７１４ａおよび第二の面７１４ｂ上の導電性コーティング７１２の間に、溝を横切る直列コンデンサを形成する。複数のコーティング層７０８を交互に重ねて配置することにより、溝を横切るコンデンサの電圧が加算され、溝を横切る総電圧が得られる。

図７ｂは、図７ａの充填された溝の結果的な等価回路を示している。絶縁材料と導体材料を交互に配置した複数のコーティング材料層７０４、７１０、７０８を重ねて配置することで、コンデンサ７５２の直列回路７５０が形成され、デバイスの電圧が上昇する。

図８は、コンデンサ構造用の溝付き基板を含むエネルギー貯蔵装置用基板の三次元概略図である。構造化された基板８０３の溝が示されており、溝の非導電部分である８０３ａと、構造化された基板の壁および関連する平坦部分に導体がコーティングされた溝の部分である８０３ｃと、端部の溝の非導電体コーティング部分である８０３ｂと、を含む。導電性コーティング８０６ａおよび８０６ｂを含む電荷抽出部は、導体が電気負荷に接触して回路を形成することができる窪んだエッジの構造に設けられている。８０５ａ、８０５ｂは、複数層のコンデンサ基板がロール、ラミネート、又はその他の方法で積層されても、コーティング８０６が接触可能に示されることを可能にする指標プロファイルである。符号８０１は、外部接続のためにエッジを設ける必要があるため、コンデンサ材料のコーティングが基板の全体を覆わない、コンデンサコーティングの塗布のための限界線を示す。図示された実施形態では、窪んだエッジプロファイル構造８０５ａおよび８０５ｂは、コンデンサ材料コーティングが基板の平坦部のエッジに達することができることを意味する。しかし、技術的な理由から、下限の幅が符号８０１で示されることが好ましい。

図９ａは、溝９０３を満たしてオーバーフィルするのに十分な厚さの複数のコーティング段階から得られたコンデンサ絶縁材料９０２の単層を含む基板を、一部切り取ったセクションとして示す。溝は、第一および第二の垂直壁に、各垂直壁に隣接する基板の平坦部９０６ａおよび９０６ｂに続いて接続される導体でコーティングがされている。コンデンサ材料の上部は、さらに導体９０４でコーティングされている。全電気的相互接続は、図９ｂの回路図に示されている。導体９０６ａ、９０６ｂおよび９０４は、電気回路に示された複合コンデンサ（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を生成する構造化基板の溝および平坦部に関連する電気接続を行う導電要素である。図８に示すようなコンデンサコーティングまたはエッジプロファイリングの制限によるエッジの露出は、見やすくする目的で省略されている。

図１０は、本発明のさらなる実施形態による処理を実施するための装置を一般的に１０００で示している。装置１０００は、二酸化チタン絶縁体層前駆体を基板上に堆積させるように構成されている。移動するウェブ１００４は、水冷されたドラム１００２の周りを搬送され、ドラム１００２自身は、交流電源又はパルス直流電源（図示せず）によってアース接地に対して正の電荷または好ましくは負の電荷を帯びている。ウェブ１００４は、ガイドローラ１００６によってドラム１００２への乗り降りをガイドされる。これらのローラ１００６は、駆動されてもよいし、アイドル状態でもよい。ドラムの周りを搬送される間、ウェブ１００４は、複数の前駆体入口点１００８のうちの１つから前駆体金属有機チタン（ＩＶ）イソプロポキシドを交互に投与され、次いで、個々のプラズマレーストラック部分１０１０によって、（例えば、その要素ステーションによって）使用されるモノマまたは前駆体のタイプに依存して、コーティング層（二酸化チタン）および硬化したポリマのシステムを形成するためにプラズマ反応される。レーストラックは、永久磁石アレイ（図示せず）によって形成されるが、この永久磁石アレイは、ドラムの外部にあるか、または図２または図３に示す磁石アレイのように、ドラム内に完全に保持されるか、あるいはその２つの組み合わせのいずれかである。

前駆体と反応できるＯ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＨ_３などの反応性ガスは、概してチャンバ内に送出されてもよく、その場合、反応は主にプラズマレーストラック部分１０１０内、またはこれらがウェブの表面と相互作用する場所で起こる。あるいは、反応性ガスは、前駆体が投与されるのと同じ位置１００８で送出されてもよい。この場合、反応性ガスは、制御されて独立して投与されるか、または前駆体材料と混合されて投与されるかのいずれかである。

図１０はまた、本装置を使用して基板を硬化または処理する方法を示しており、この方法は、第一に、ステップ１００３で、基板を、移動中の基板１００４の表面に前駆体を塗布する第一の前駆体入口１００８の下に搬送するステップを含む。第二に、生成されたプラズマ１０１０が基板１００４の表面に向けられ、基板１００４の表面上の前駆体が反応して１０１０で第一の層を形成するようにする。次に、基板１００４は、２回目の投与の前駆体を塗布する第二の前駆体入口１０１８の下に搬送される。この実施形態では、２回目の投与は、１回目の投与と同じ前駆体を堆積させる。代替的な実施形態では、１回目の投与で絶縁材料の前駆体を堆積させ、２回目の投与で導電性材料の前駆体を堆積させる。次いで、基板は、第二層の前駆体を反応させて第一層の上に第二層を形成するように、第二のプラズマレーストラックゾーンに搬送される。必要な厚さ（通常は３０〜３００ｎｍ、より好ましくは１００〜３００ｎｍ）の層が形成されるように、前駆体の投与とプラズマ処理のステップを繰り返すように構成された追加の要素ステーションを、基板が通過してもよい。

図１０から図１２の方法および装置では前駆体を使用しているが、当業者であれば、方法および装置の他の実施形態では、他の前駆体を使用して様々なコーティングおよび材料の組み合わせを得ることができることを理解できるであろう。

磁石アレイは、図１１のように外側にあるのではなく、図１２のように堆積ローラ内（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｏｌｌｅｒ）に収納されていることが好ましく、これにより、ドラムの周りに前駆体堆積装置（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）のためのスペースを確保でき、レーストラック部分の形状と位置をより容易に制御することができる。

個々のレーストラック部分１０１０は、堆積ローラ上の多数の個別の平行なレーストラックとして生成することができる。あるいは、前駆体の反応が起こる多数の平行または概ね平行（５°未満の平行）な個々のレーストラック部分でドラムの周りを蛇行する単一のレーストラックを生成するように設計された磁石アレイによって生成されてもよい。

上述の詳細な設計に対する様々な変更が想定される。上述した実施形態のいずれかに関連して記載された特徴は、異なる実施形態の間で交換可能に適用できることは、当業者には明らかであろう。上述した実施形態は、本発明の様々な特徴を説明するための例である。

本明細書の説明および特許請求の範囲を通して、「含む」という言葉および「包含する」という言葉とその変化形は、「含むがこれに限定されない」という意味であり、他の部位、添加物、成分、整数またはステップを除外することを意図しない（かつ、実際に除外しない）。本明細書の記述および特許請求の範囲を通じて、文脈上別段の要求がない限り、単数表現は複数を包含する。特に、不定冠詞が使用されている場合、本明細書は、文脈が別途要求しない限り、単数性と同様に複数性を企図しているものと理解されるべきである。

本発明の特定の態様、実施形態、または実施例に関連して記載された特徴、整数、特性、化合物、化学的部分、またはグループは、それらと矛盾する場合を除き、本明細書に記載された他の態様、実施形態、または実施例に適用可能であると理解されるべきである。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書または図面を含む）に開示されているすべての特徴、および／または、そのように開示されている任意の方法または処理のすべてのステップは、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除き、任意の組み合わせで組み合わせることができる。本発明は、前述の任意の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（任意の添付の請求項、要約書および図面を含む）に開示された特徴の任意の新規の一事項、または任意の新規の組み合わせ、あるいは、そのように開示された任意の方法または処理のステップの任意の新規の一事項、または任意の新規の組み合わせに及ぶ。

読者には、本出願に関連して本明細書と同時または前に提出され、本明細書とともに公開されているすべての書類や文書に注意が向けられたく、そのようなすべての書類や文書の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (36)

1. エネルギー貯蔵装置用の基板を処理する方法であって、
   移動する基板を搬送するように構成されたドラムを提供するステップであって、前記ドラムが、電磁荷電を有し、移動される基板を提供する、ステップと、
   前記ドラムの円周の周りに位置する複数の硬化ステーションを設けるステップと、を含み、
   各硬化ステーションにおいては、
   前記移動する基板の表面に前駆体を堆積させるステップと、
   プラズマを生成するステップと、
   前記移動する基板の表面にプラズマを向けて、実質的に前記基板の温度を上げることなく前記前駆体を反応させ、前記基板上に材料層を形成するステップと、が実行される、方法。
2. エネルギー貯蔵デバイス用の基板を処理する方法であって、
   移動する基板を搬送するように構成されたドラムを提供するステップであって、前記ドラムは、電磁荷電を有するステップと、
   前記移動される基板を提供するステップと、
   材料コーティングの気化した前駆体を提供するステップと、
   チャンバ内で、前記ドラムの円周の周りに互いに間隔を置いて配置された複数の硬化ステーションを提供するステップと、を含み、
   各硬化ステーションにおいては、
   反応性ガスを含み、前記ドラムの前記電磁荷電によって空間的に画定されるプラズマを生成するステップと、
   前記気化した前駆体を前記プラズマと混合するステップと、が実行され、
   前記前駆体は前記プラズマによって解離され、解離した前記前駆体を前記反応性ガスと反応させて、実質的に前記基板の温度を上昇させることなく、材料層として前記基板上に堆積させて材料コーティングを形成する、
   方法。
3. 前記材料層が絶縁材料を含む、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記移動される基板が、複数の溝を含み、
   各溝は第一の面と第二の面を有し、前記第一の面と第二の面はそれぞれ非絶縁性材料のコーティングを有する、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記ドラムの円周の周りに位置する複数の硬化ステーションを提供するステップを含み、
   各硬化ステーションは、
   前記複数の溝のうち、少なくとも１つの溝に前駆体を堆積させるステップと、
   プラズマを生成するステップと、
   前記プラズマを前記少なくとも１つの溝に向けて、前記溝内の前記前駆体を反応させ、前記溝内に材料層を形成するステップと、を実行する、
   請求項１に従属するときの請求項４に記載の方法。
6. 前記ドラムの円周の周りに位置する複数の硬化ステーションを提供するステップを含み、
   各硬化ステーションは、
   反応性ガスを含むプラズマを生成するステップと、
   前記プラズマと前記気化した前駆体を混合して前記前駆体を解離させ、解離した前記前駆体を前記反応性ガスと反応させて材料コーティングを形成するステップと、
   前記プラズマを前記少なくとも１つの溝に向けて、前記材料コーティングを堆積させ、前記溝内に材料層を形成するステップと、を実行する、
   請求項２に従属するときの請求項４に記載の方法。
7. 前記複数の硬化ステーションは、同じ前駆体を堆積または生成するように構成されている、
   請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. 前記複数の硬化ステーションは、少なくとも２つの異なる前駆体を堆積または生成するように構成されている、
   請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
9. 前記複数の硬化ステーションは、前記少なくとも２つの異なる前駆体が前記少なくとも１つの溝内に交互に続いて堆積されるように提供される、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記非絶縁性材料は、導体材料である、
    請求項４〜９のいずれか１つに記載の方法。
11. 前記前駆体は、前記移動する基板の表面に堆積する前に気化する、
    請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 各材料層は、各溝の前記第一の面と第二の面の間で連続している、
    請求項４〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 前記第一の面の非絶縁性材料と前記第二の面の非絶縁性材料は、電気的に互いに分離されている、
    請求項４〜１２のいずれか１つに記載の方法。
14. 前記ドラムは冷却剤によって冷却される、
    請求項１〜１３のいずれか１つに記載の方法。
15. 前記前駆体は金属有機前駆体である、
    請求項１〜１４のいずれか１つに記載の方法。
16. 前記金属有機前駆体は、チタン（IV）イソプロポキシド、チタン（IV）エトキシド、塩化チタン（IV）、タンタル（V）エトキシド、塩化タンタル（V）、ニオブ（V）エトキシド、塩化ニオブ（V）、η5-シクロペンタジエニル-テトラカルボニルニオブ、ビスディピバロイルメタン酸バリウム、およびバリウムヘキサフルオロアセチルアセトナートペンタエチレングリコールエチルブチルエーテルのうちの、１つまたは複数である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記前駆体は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、およびチタン酸カルシウム銅、のうちの１つ以上の前駆体を含む、
    請求項１〜１６のいずれか１つに記載の方法。
18. 請求項１〜１７のいずれか１つに記載の方法によって処理された、エネルギー貯蔵デバイス用基板。
19. 複数の溝であって、各溝は、第一の面および第二の面を有し、前記第一の面および前記第二の面は、それぞれ、非絶縁性材料のコーティングを有する、複数の溝と、
    前記複数の溝の各溝内の複数の材料層であって、各材料層は、各溝に前駆体を堆積させ、前記前駆体をプラズマと反応させることによって形成されている、複数の材料層と、を含む、
    請求項１８に記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
20. 複数の溝であって、各溝は、第一の面および第二の面を有し、前記第一の面および前記第二の面は、それぞれ、非絶縁性材料のコーティングを有する、複数の溝と、
    前記複数の溝の各溝内の複数の材料層と、を含み、
    各材料層は、
    気化した前駆体を生成するステップと、
    反応性ガスを含むプラズマを生成するステップと、
    前記気化した前駆体を前記プラズマと混合するステップと、によって形成され、
    前記前駆体をプラズマで解離させ、解離した前記前駆体を前記反応性ガスと反応させて材料コーティングを形成し、これを材料層として基板上の各溝に堆積させる、
    請求項１８に記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
21. 前記複数の材料層は、絶縁材料層を含む、
    請求項１９または２０に記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
22. 前記複数の材料層のそれぞれは、同じ材料を含む、
    請求項１９〜２１のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
23. 前記複数の材料層は、少なくとも２つの異なる材料の層を含む、
    請求項１９〜２１のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
24. 前記異なる材料の少なくとも２つの層において、少なくとも１つの層が絶縁材料を含み、少なくとも１つの層が導体材料を含む、
    請求項２３に記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
25. 前記少なくとも２つの異なる材料層が交互に続いて配置されている、
    請求項２３または２４に記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
26. 前記複数の材料層のうちの少なくとも１つの材料層が、誘電率が１０以上のコンデンサ材料を含む、
    請求項１９〜２５のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
27. 前記複数の材料層のうちの少なくとも１つの材料層が、ポリマ材料を含む、
    請求項１９〜２６のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
28. 前記ポリマ材料はコンジュゲートされている、
    請求項２７に記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
29. 前記複数の材料層のうちの少なくとも１つの層が導電材料を含む、
    請求項１９〜２８のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
30. 前記複数の材料層のうちの少なくとも１つの材料層が放射線硬化性バインダを含む、
    請求項１９〜２９のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
31. 各材料層は、５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有し、１００ｎｍの厚さが好ましい、
    請求項１８〜３０のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
32. 各溝に少なくとも２つの絶縁材料層を含む、
    請求項１８〜３１のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
33. 少なくとも２つの絶縁体層と、前記絶縁体層の間に配置された導電体層とを含む、
    請求項３２に記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板。
34. 複数の溝を含み、
    各溝は、第一の面および第二の面を有し、前記第一の面および前記第二の面は、それぞれ、非絶縁性材料のコーティングを有し、
    各溝は、複数の材料層を有し、
    各材料層は、前記材料層の前駆体を各溝内に堆積させ、前記前駆体をプラズマと反応させることによって形成される、
    エネルギー貯蔵基板。
35. 平面型基板であり、複数の材料層を含み、
    各材料層は、前記材料層の前駆体を堆積させ、前記前駆体をプラズマと反応させることによって形成される、
    エネルギー貯蔵基板。
36. 請求項１８〜３３のいずれか１つに記載のエネルギー貯蔵デバイス用基板を含む、
    請求項３４または３５に記載の、
    エネルギー貯蔵基板。

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