[論文レビュー] Effect of particle contact on the electrical performance of NTC-epoxy composite thermistors

Daniella B. Deutz, Sybrand van der Zwaag+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2019

Electrical and Thermal Properties of Materials参考文献 33被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ナノ粒子凝集体を用いたNTCエポキシ複合材料熱敏抵抗素子における粒子間接触の設計が、電気的性能を顕著に向上させることを示している。特に、凝集体を形成させた場合、50 vol.%のNTC含有量においてβ値2069 K、抵抗率3.3×10⁵ Ω·mを達成し、ランダム分散型や整列型複合材料と比較して4桁の性能向上を実現した。主なメカニズムは、粒子間の並列接続性の向上であり、粒子間距離の短縮のみに起因するものではない。

ABSTRACT

As demand rises for flexible electronics, traditionally prepared sintered ceramic sensors must be transformed into fully new sensor materials that can bend and flex in use and integration. Negative temperature coefficient of resistance (NTC) ceramic thermistors are preferred temperature sensors for their high accuracy and excellent stability, yet their high stiffness and high temperature fabrication process limits their use in flexible electronics. Here, a low stiffness thermistor based on NTC ceramic particles of micron size embedded in an epoxy polymer matrix is reported. The effect of particle-to-particle contact on electrical performance is studied by arranging the NTC particles in the composite films in one of three ways: 1) Low particle contact, 2) Improved particle contact perpendicular to the electrodes and 3) dispersing high particle contact agglomerated clumps throughout the polymer. At 50 vol.\\% of agglomerated NTC particles, the composite films exhibit a $\\beta$-value of 2069 K and a resistivity, $\ ho$, of 3.3$\\cdot 10^5$ $\\Omega$m, 4 orders of magnitude lower than a randomly dispersed composite at identical volume. A quantitative analysis shows that attaining a predominantly parallel connectivity of the NTC particles and polymer is a key parameter in determining the electrical performance of the composite film.

研究の動機と目的

• フレキシブルで印刷可能なNTC熱敏抵抗素子の開発を目的とし、焼結セラミックスに匹敵する性能を実現すること。
• NTCエポキシ複合材料における電気的性能が、体積分率や粒子間距離に加えて、粒子間接触の状態にどのように依存するかを解明すること。
• ランダム分散、静電誘導整列、凝集体構造の3種類の複合構造を、異なるNTC体積分率の下で比較すること。
• 複合熱敏抵抗素子における抵抗率およびβ値を支配する主要な物理的パラメータを同定すること。
• 高NTC体積分率と特異的な粒子接触構造のどちらが、低抵抗率および高β値を達成するためにより重要であるかを特定すること。

提案手法

• ボールミルリングと焼成（800°Cおよび950°C）を用いて、NTCセラミックス粒子（Mn₂.₄₅Ni₀.₅₅O₄、1–10 µm、最大250 µmの凝集体を含む）を合成した。
• エポキシマトリックスとAu電極（スパッタコーティング法）を用いて、ランダム分散型、静電誘導整列型、凝集体型の3種類の複合膜を製造した。
• 抵抗率（ρ）を10 VのDC抵抗測定と膜の幾何寸法（ρ = R_DC · A / t）から算出し、β値を25°Cおよび85°Cにおける1 kHz、1 VのAC抵抗測定から算出した。
• 画像解析（1500×倍率、しきい値処理、粒子セグメンテーション）を用いて、最近接粒子中心間の平均粒子間距離を算出した。
• 凝集体膜に130°C、1時間の単軸圧力を加えることで粒子間距離を変化させ、抵抗率依存性を評価した。
• 粒子の接続性と電気的性能の相関関係を、並列ネットワーク形成の定量的解析により評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子接触構造（ランダム、整列、凝集体）が、NTCエポキシ複合材料熱敏抵抗素子の抵抗率およびβ値に顕著な影響を及えるか？
• RQ2 高NTC体積分率か、粒子接触構造の配置が、低抵抗率および高β値を達成するためにより重要か？
• RQ3 粒子間距離が、粒子接触の有無に依存しない形で電気的性能を決定づける程度はどの程度か？
• RQ4 単軸圧力が、凝集体複合膜における抵抗率および粒子間距離にどのように影響を与えるか？
• RQ5 NTC粒子の並列接続性とポリマーマトリックスの役割が、全体の電気的性能を決定づける要因となるか？

主な発見

• 50 vol.%のNTC含有量において、凝集体型複合膜はβ値2069 K、抵抗率3.3×10⁵ Ω·mを達成し、同じ体積分率におけるランダム分散型複合材料と比較して4桁の性能向上を示した。
• ランダムおよび整列型複合膜は、ポリマーマトリックスに支配される抵抗率を示し、高NTC含有量であっても改善が限定的であった。これは、絶縁パーコレーションの不完全さと接続性の低さを示唆している。
• 凝集体型複合膜は、凝集体間隔が広いにもかかわらず、内部の高密度なパッケージングにより、顕著に低い平均粒子間距離を実現し、高い並列接続性を達成した。
• 単軸圧力条件下では、抵抗率が粒子間距離の減少に伴い単調に低下し、0.1 µmの減少ごとに約1桁の低下を示したが、これは凝集体型膜でのみ観察された。
• 主な性能向上要因は粒子間距離の短縮そのものではなく、粒子接触によって形成される並列導電パスの発達であり、これは凝集体構造で最大に達成された。
• 静電誘導整列は抵抗率にほとんど影響を及ぼさなかったことから、NTC複合材料の電流駆動型センシングメカニズムは、整列よりも実際の粒子接触に依存していることが示唆された。