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電気物性測定法の原理と応用の新展開


　 現在、半導体、液晶、光通信材料、磁性材料、レジスト材料、バイオテクノロジーなどの研究開発やこれらの材料を使った製品開発が活発に行われています。
　 これらの開発を進める上で、工業材料の電気物性を正確に知ることは、極めて重要なポイントとなっています。
　　しかし、広範囲にわたる電気物性の正確な測定方法について、原理から測定ノウハウまで分かりやすく解説したレポートはほとんど無いのが現状です。
　 本レポートはこうした点に焦点を当てて、各界で第一線で活躍されておられる先生方がその専門分野を執筆されているので、自信を持ってご推薦できます。

　○重要な電気物性を全て網羅し、その測定原理と測定方法について分かりやすく解説し、かつ電気物性測定のキーポイントを適切に説明している。　
　 　　・電気電導度　・誘電率　　・強誘電性　・圧電性
　 　　・焦電性　　　・表面電気現象と帯電性　・絶縁破壊

　○最近の電気・電子材料の開発と電気物性の関わりを材料別に具体例で詳説している。
　　　 ・フッ素系高分子　　・液晶　　・セラミックス　　・高誘電有機材料
　 　　・非帯電性高分子　　・強誘電性高分子　　　　　　・キャパシタ材料
　 　　・積層板　　　　　　・航空・宇宙機用高周波材料

　○電気物性はあらゆる材料、製品の研究開発、技術開発、生産管理などで重要な判断基準を与えるものとして、極めて重要な役割を担っている。

　 電気物性の正確な測定方法、測定ノウハウ、応用展開の実例を知る上で大いに参考となるため、関係者の座右の書として是非1冊お手元に備えられることをお薦めします。

執筆者一覧(執筆順・敬称略)
　 矢野紳一　 　岐阜大学 工学部
　 近藤明弘　 　岐阜大学 工学部
　 喜多保夫　 　京都大学 化学研究所
　 安田直彦　 　岐阜大学 工学部
　 村田幸進　 　大阪府立工業高等専門学校 工業化学科
　 渡辺茂男　 　愛知工業大学 電気工学科
　 松延謙次　 　ポリマテック(株) 品質保証部
　 東村　豊　 　 (株)日立製作所 日立研究所
　 清水哲男　 　ダイキン工業(株) 化学事業部 第1研究開発部
　 中村尚武　 　立命館大学 理工学部
　 西垣　進　 　 大研化学工業(株) 研究所
　 福井育生　 　信越化学工業(株) 合成技術研究所
　 綱島研二　 　東レ(株) フィルム研究所
　 鈴木正己　 　日立エーアイシー(株) 芳賀工場
　 倉橋尭男　 　前・新神戸電気(株) 彦根工場
　 寺島樹雄　 　川崎重工業(株) 航空宇宙事業部 電子技術部


　　 □体裁　A4判　371ページ
　　 □税込価格　60,900円
　　 □送料　弊社負担
　　 □発行　1998年5月		  

章　目　次

第1章　電気物性と材料との関わり
 第2章　電気物性測定の原理と実際
第3章　材料別電気物性応用の実際
  

詳 細 目 次

  頁
   

第1章　電気物性と材料との関わり		 1
   

1. 直流電気伝導と材料…近藤明弘		 1
　1.1　はじめに 1
　1.2　バンド伝導 2
　1.3　イオン伝導 3
　1.4　伝導機構の推定 3
　1.5　測定 4
　　(1)　電界と電流 5
　　(2)　不均一電界による電流 5
　　(3)　ステップ電圧と電流 7
　　(4)　測定器 8
　1.6　まとめ 8
参考文献 9
   

2. 誘電率と材料（誘電体論)…喜多保夫		 10
　2.1　はじめに 10
　2.2　誘電率の電磁気学的基礎 11
　　(1)　Coulombの法則 11
　　(2)　平行板キャパシター 12
　2.3　誘電分極の分子論的解釈 15
　　(1)　Lorenzの内部電場 15
　　(2)　分子分極 17
　　(3)　Clausius-Mosottiの式 17
　　(4)　Debyeの式 18
　　(5)　Onsagerの式 20
　　(6)　Kirkwoodの式 21
　2.4　誘電緩和現象と複素誘電率 22
　　(1)　余効関数 22
　　(2)　Debyeの分散式 25
　2.5　緩和時間の分布 26
　　(1)　Gaussの確率分布 28
　　(2)　Cole-Cole分布 28
　　(3)　Davidson-Coleの分布 31
　　(4)　Williams-Wattsの分布 33
　　(5)　Habriack-Negamiの分布 34
　2.6　緩和時間の温度依存性 35
　　(1)　Eyringの反応速度論による取り扱い 35
　　(2)　WLF-式 37
　2.7　不均質誘電体 37
　　(1)　層状不均質誘導体 37
　　(2)　懸濁系 40
引用文献 41
   

3. 強誘電体と材料…安田直彦		 43
　3.1　はじめに 43
　3.2　現象論的解析 44
　　(1)　2次相転移(β＞0) 45
　　(2)　1次相転移(β＜0) 45
　3.3　変位型強誘電体 48
　3.4　秩序無秩序型強誘電体 56
　3.5　水素結合型強誘電体 59
　3.6　硫酸アンモニウム(NH4)2SO4系強誘電体 62
　3.7　インコメンシュレート相転移 63
　3.8　間接型強誘電体 64
　3.9　リラクサー(Relaxor)強誘電体 65
引用文献…69 69
   

4. 圧電性、焦電性と材料…村田幸進		 72
　4.1　圧電基本式 72
　4.2　電気機械結合定数 75
　4.3　電歪 76
　4.4　圧電材料 78
　　(1)　無機もしくは低分子圧電材料 78
　　(2)　圧電セラミックス 78
　　(3)　高分子圧電材料 79
　　(4)　複合圧電材料 79
　4.5　焦電性 79
引用文献 81
   

5. 帯電現象と材料…渡辺茂男		 82
　5.1　帯電現象の簡単な説明 82
　5.2　静電気と磁気の違い 82
　5.3　静電気と磁気の力の違い 83
　5.4　静電気の力と重力 83
　5.5　静電誘導 84
　5.6　静電誘導による電荷の発生 84
　　(1)　Dirods(誘導型)発電機 85
　　(2)　Kelvin発電機 86
　5.7　界面現象による帯電 87
　5.8　固体の帯電 87
　5.9　液体の帯電 89
　　(1)　流動帯電 89
　　(2)　パイプの長さと流動電流 91
　　(3)　これまでの流動電流式 92
　　(4)　流動電流式の整理 94
　5.10　界面電気二重層 94
　　(1)　電気二重層モデル 94
　　　A．Helmholtzのモデル 94
　　　B．Gouy-Chapmannのモデル 95
　　　C．Sternモデル 95
　　　D．Grahameモデル 98
　　　E．Bockrisモデル 98
　5.11　特異吸着の起こる原因 99
　5.12　二重層の厚さ 101
　5.13　二重層厚さの意味 102
引用文献 106
   

6. 絶縁破壊と材料…松延謙次、東村　豊		 107
　6.1　固体誘電体の絶縁破壊の理論 107
　　(1)　真性破壊理論 107
　　(2)　電子なだれ破壊理論 109
　　(3)　その他の電子的な過程による絶縁破壊理論 109
　　(4)　純熱的破壊理論 110
　　(5)　機械的破壊理論 111
　6.2　絶縁破壊特性 111
　　(1)　厚さ効果 111
　　(2)　電圧波形 112
　　(3)　温度の影響 113
　6.3　実用絶縁物の絶縁破壊 114
　6.4　沿面絶縁破壊 115
引用文献 116
   

第2章　電気物性測定の原理と実際		 117
   

1. 電気伝導度測定の原理と実際…近藤明弘		 117
　1.1　はじめに 117
　1.2　抵抗測定 117
　　(1)　中抵抗測定 118
　　(2)　低抵抗測定 119
　　(3)　高抵抗測定 119
　1.3　電源 119
　1.4　電圧計と電流計 120
　1.5　電極 121
　　(1)　電極形状-1 121
　　(2)　電極形状-2 122
　　(3)　セル定数 123
　　(4)　電極界面 124
　1.6　電源と測定 125
　1.7　四端子測定法 126
　1.8　ノイズ 127
　1.9　演算増幅器 128
　1.10　可変電圧と可変電流源 130
　1.11　まとめ 130
参考文献 130
   

2. 誘電測定の原理と実際…喜多保夫		 131
　2.1　一般的な誘電率測定（集中定数回路法，周波数域法) 131
　　(1)　三端子測定（直流〜数MHz) 135
　　　A．三端子測定の動作原理 135
　　　B．三端子電極の真空容量Coの決定 136
　　　　a．数値計算による真空容量Coの見積り 136
　　　　b．真空容量Coの電気的測定 137
　　　C．三端子電極の例 138
　　　　a．固体板状試料用電極 138
　　　　b．試料厚さ・誘電率同時測定電極 138
　　　　c．液体試料用電極 139
　　　　d．微少試料用電極 140
　　(2)　二端子測定（1〜数百 MHz) 141
　　　A．二端子電極による誘電率の測定 142
　　　B．二端子電極の真空容量Coと浮遊容量Cfの見積り 142
　　　　a．真空容量Coと浮遊容量Cfの数値計算 142
　　　　b．真空容量Coと浮遊容量Cfの電気的測定 143
　　　　c．真空容量(セル定数)のコンダクタンス測定による決定 144
　　　C．測定器とパソコンのオンライン結合（GP-IB法) 144
　　　　a．ハードウェア 144
　　　　b．ソフトウェア 145
　　(3)測定上の注意 147
　　　A．電極作成時の注意 147
　　　B．試料の取り扱いに関する注意 147
　　　C．電気測定時の注意 148
　2.2　高周波の誘電率測定 150
　　(1)　Qによる誘電率測定（集中定数回路法) 150
　　(2)　分布定数回路における測定（定在波法) 151
　2.3　非線形の誘電性測定 156
　　(1)　誘電測定における刺激と応答 156
　　(2)　非線形誘電率測定システムと測定上の注意 161
引用文献、参考文献 162
   

3. 強誘電性測定の原理と実際…安田直彦、矢野紳一		 164
　3.1　ソーヤータワー回路法 164
　　(1)　ペピンスキーブリッジ 168
　　(2)　改良型のソーヤータワー回路 170
　3.2　分極反転電流波形測定法 172
　　(1)　矩形波パルス法 174
　　(2)　三角波パルス法 179
　3.3　焦電測定 179
　3.4　誘電率及び自発分極の静水圧力依存性の測定法 182
引用文献 186
   

4. 圧電性および焦電性測定の原理と実際…村田幸進		 188
　4.1　圧電性の測定 188
　　(1)　共振アドミッタンス測定による方法 188
　　　A．矩形板振動子の長辺方向の伸縮振動 189
　　　B．円板状振動子の径方向振動および非軸対称振動 190
　　　C．円板状振動子の縦振動 190
　　　D．円板状振動子の厚み縦振動 191
　　　E．矩形振動子の厚みすべり振動 191
　　(2)　応力あるいはひずみに対する電気変位の変化を測定する方法 192
　　(3)　試料に電圧をかけたときに生じる変位を測定する方法 193
　4.2　焦電性の測定 193
引用文献 194
   

5. 表面電気現象と帯電性測定の原理と実際…渡辺茂男		 195
　5.1　はじめに 195
　5.2　界面電気現象 195
　　(1)　電気浸透 195
　　(2)　電気泳動 196
　　(3)　流動電位 196
　　(4)　泳動電位 197
　　(5)　界面現象の間の関係 197
　　(6)　界面現象とζ電位 197
　5.3　静電気の測定 197
　　(1)　回転セクタ型 198
　　(2)　振動容量型 199
　　(3)　集電式 199
　　(4)　電位計を使用する場合の注意 200
　　(5)　誘電体の表面電位測定例 201
　　(6)　絶縁性液体の測定例 201
　　(7)　固体、粉体の測定例 202
　　(8)　電位を測定する場合の注意 202
　　(9)　ファラデーケージの測定原理 203
　　(10) 電荷の蓄積、減衰と時定数 205
　　(11) 静電気測定の注意事項 205
引用文献 206
   

6. 絶縁破壊測定の原理と実際…松延謙次、東村　豊		 207
　6.1　試料及び電極 207
　6.2　電圧波形 209
　6.3　実用絶縁材料の絶縁破壊電圧測定 212
引用文献 213
   

第3章　材料別電気物性応用の実際		 214
   

1. フッ素系高分子…清水哲男		 214
　1.1　はじめに 214
　1.2　パーフルオロ系樹脂 216
　　(1)　誘電的性質 216
　　(2)　電気絶縁性 219
　　(3)　用途 219
　1.3　VdF系樹脂 221
　　(1)　誘電的性質 221
　　(2)　圧電性・焦電性 223
　　(3)　用途 223
　1.4　エチレン・含フッ素オレフィン交互共重合系樹脂 224
　　(1)　誘電的性質 224
　　(2)　電気絶縁性 225
　　(3)　用途 225
　1.5　含フッ素ポリイミド 226
引用文献 228
   

2. 液晶…中村尚武		 230
　2.1　液晶とは 230
　2.2　液晶分子の基本構造 233
　2.3　誘電率の異方性 233
　2.4　液晶の電気光学効果 237
　2.5　液晶の電気粘性効果 238
　2.6　誘電緩和 239
引用文献 240
   

3. セラミックス…西垣　進、安田直彦		 241
　3.1　はじめに 241
　3.2　セラミック材料の設計と電気的性質 241
　　(1)　ナノメータスケールに於けるセラミック材料(PLZT) 241
　　(2)　サブミクロンスケールに於けるセラミック材料(圧電セラミックス) 247
　　(3)　サブミクロンスケールに於けるセラミック材料(高圧コンデンサ) 250
　3.3　マイクロ波誘電体セラミック材料の設計と電気的性質 253
　　(1)　微結晶相スケール（ミクロンスケール）に於けるマイクロ波誘電体（マイクロ波誘電体；特性の加成性) 253
　　(2)　結晶構造スケール（ユニットセルル）に於けるマイクロ波誘電体(マイクロ波誘電体構造；タングステンブロンズ型固溶体) 259
　3.4　ミクロマクロスケールに於ける三次元構造セラミック材料の設計と電気的性質(低温焼成基板、ガラスセラミクス、LTCC,LFC) 263
引用文献 270

4. 高誘電有機材料…福井育生		 272
　4.1　はじめに 272
　4.2　有機高分子の誘電挙動 272
　4.3　各種シアノエチル化物 274
　　(1)　歴史 274
　　(2)　現在公知のシアノエチル化物 274
　　　A．セルロース系 275
　　　B．デンプン系 275
　　　C．ビニルアルコール系 276
　　　D．オリゴマー系 276
　4.4　シアノエチル化物の諸物性 276
　　(1)　物理化学的性質 276
　　(2)　誘電特性 278
　　　A．CyEPL 278
　　　B．他のシアノエチル化物 280
　　　C．体積固有抵抗，絶縁破壊電圧 282
　4.5　応 用 例 283
　　(1)　有機分散形エレクトロルミネッセンス（有機分散型EL) 283
　　(2)　フィルムコンデンサー誘電材料 284
　　(3)　電子写真（複写機，プリンター）機材料 285
　　　A．感光体ドラム材料 285
　　　B．半導電性ローラ材料 286
　　　C．トナー材料 286
　　(4)　液晶配向膜材料 286
　　(5)　電界効果トランジスタ（FET）材料 287
引用文献 287

5.非帯電性高分子…綱島研二		 289
　5.1　帯電現象とは 289
　　(1)　帯電による障害 290
　　(2)　帯電の要因 291
　　　A．接触帯電 291
　　　B．摩擦帯電 293
　　　C．変形・破断による帯電 294
　　　D．コロナ放電による帯電 294
　　　E．電界の作用で作られる帯電 294
　　　F．放射線による帯電 295
　　　G．相変化に伴う帯電 295
　5.2　非帯電性高分子 295
　　(1)　導電性高分子 295
　　　A．共役系導電性高分子 296
　　　B．イオン伝導性高分子 297
　　(2)　帯電防止技術 297
　　　A．練り込み法 298
　　　B．コーティング法 302
　5.3　まとめ 304
引用文献 305
   

6. 強誘電性高分子…村田幸進		 306
　6.1　はじめに 306
　6.2　ポリフッ化ビニリデン 306
　6.3　フッ化ビニリデン共重合体 307
　6.4　ポリアミド（ナイロン) 310
　6.5　ポリ尿素 316
　6.6　ポリチオ尿素 317
　6.7　シアン化ビニリデン共重合体 317
引用文献 318

7. キャパシタ材料…鈴木正己		 321
　7.1 はじめに 321
　　(1)　静電容量 322
　　(2)　絶縁抵抗（直流漏れ電流) 323
　　(3)　誘電正接 323
　7.2　歴史的経緯 325
　　(1)　紙・プラスチックフィルム 325
　　(2)　無機質系固体 325
　　(3)　金属酸化物被膜 326
　7.3　各種コンデンサの概要 327
　　(1)　フィルムコンデンサ 327
　　　A．コンデンサ材料 327
　　　B．需要動向 328
　　　C．概説、構造、特徴、用途 328
　　　D．技術動向と今後の技術予測 332
　　(2)　セラミックコンデンサ 333
　　　A．コンデンサ材料 333
　　　　a．酸化チタン系 333
　　　　b．チタン酸バリウム系 333
　　　B．需要動向 334
　　　C．概説、構造、特徴、用途 335
　　　D．技術動向と今後の技術予測 336
　　　　a．低温焼成誘電体材料 336
　　　　b．還元性雰囲気焼成誘電体材料 336
　　(3)　アルミニウム電解コンデンサ 337
　　　A．コンデンサ材料 337
　　　B．需要動向 337
　　　C．概説、構造、特徴、用途 338
　　　D．技術動向と今後の技術予測 340
　　　　a．長寿命化 340
　　　　b．小型化 340
　　　　c．低インピーダンス化 341
　　　　d．安全性 341
　　　　e．電解液の代替 341
　　(4)　タンタル電解コンデンサ 341
　　　A．コンデンサ材料 341
　　　B．需要動向 344
　　　C．概説、構造、特徴、用途 344
　　　D．技術動向と今後の技術予測 345
　　　　a．小型、大容量化 345
　　　　b．低インピーダンス化 346
　　　　c．安全性の向上 346
引用文献 346

8. 積層板…倉橋尭男		 347
　8.1　はじめに 347
　8.2　銅張積層板の概要 347
　8.3　銅張積層板の製造方法 349
　8.4　銅張積層板の品種 349
　8.5　各種銅張積層板とその特徴、用途 350
　　(1)　フェノール樹脂系銅張積層板 351
　　(2)　エポキシ樹脂系銅張積層板 352
　　(3)　トリアジン樹脂系銅張積層板 352
　　(4)　ポリイミド樹脂系銅張積層板 352
　　(5)　ポリエステル樹脂系銅張積層板 353
　　(6)　ポリイミド樹脂基材系銅張積層板 353
　　(7)　メラミン樹脂系銅張積層板 353
　　(8)　シリコン樹脂系銅張積層板 353
　8.6　銅張積層板、積層板の電気特性比較 353
　8.7　各種銅張積層板、積層板の電気特性例 355
　　(1)　絶縁抵抗 355
　　(2)　誘電特性 357
　　(3)　耐電圧特性 359
　　(4)　耐トラッキング性 360
　8.8　各種要因と電気特性との関係 360
　　(1)　銅張積層板の熱膨張率 360
　　(2)　耐マイグレーション特性 362
　　(3)　ドリル穴明け性…362 362
　8.9　おわりに 364
参考文献 364

9. 航空・宇宙機用高周波材料…寺島樹雄		 365
　9.1　はじめに 365
　9.2　測定方法 365
　　(1)　S法の概要 365
　　(2)　測定の原理 367
　9.3　材料特性 370
参考文献 371
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