いまさら聞けないガラス講座

ガラスの電気的特性の評価方法
日本板硝子（株）研究開発部

田 島

日本統括部

扶 久 江

Evaluation of electrical properties of glass
Fukue Tajima
R&D Japan
Nippon Sheet Glass Co．
，Ltd．

１．はじめにガラスは，ディスプレイや電子回路基板のような絶縁体からリチウム電池の電解質のようなとが一般的である。その抵抗率には，体積抵抗率と表面抵抗率の２種類があり，両者ともに絶縁材料として必要な性能の「高抵抗を有すること」を確認するために評価される。

導電体まで，それぞれの電気的特性を活かした誘電特性は，誘電現象の発生のし易さを示す幅広い用途で利用されている。このようなガラ特性であり，比誘電率および誘電正接で示されスの組成開発において，電気的特性の評価が行る。比誘電率が低い材料は，蓄えられる静電エわれている。電気的特性の評価方法の規格は幾ネルギー量が小さく，絶縁性に優れている。反

つか制定されているが，ガラスを対象とした規対に蓄えられる静電エネルギー量が大きい場合格は少なく，評価方法の多くはセラミックスもはコンデンサとしての利用価値が見出される。

しくは電気絶縁材料を対象とした規格に準拠しゆえに，絶縁材料やコンデンサとしての性能をている。本稿では，ガラスの電気的特性を評価評価する際に，比誘電率の測定が行われる。まする際に利用されている JIS 規格を中心に，電た，誘電正接が大きいと大きな電力損失をもた気的特性の評価方法の概要と評価時の留意点にらすことから，誘電正接は絶縁材料としての評ついて説明する。また，簡単に規格間の違いに価時に確認されることが多い。

触れる。

２．ガラスの電気的特性についてガラスで評価される電気的特性としては，導電特性と誘電特性の２つが挙げられる。
導電特性は電気の流れ易さを示す特性である。多くのガラスは電気を流し難い材料であることから，導電率ではなく抵抗率で評価するこ

電気的特性の評価方法に関する規格一覧を表１に示す。表１に示される規格は全て，基本的には同じ測定原理に基づいている。表面抵抗率
は，ディスプレイ素子に用いるガラス基板の重要な特性であることから，ガラスを対象とした評価方法の規格が制定されている。

３．ガラスの電気的特性の評価方法
３―１．導電特性の評価方法〒６６４―８５２０ 兵庫県伊丹市鴻池１３番１２号
TEL ０７２―７８１―００８１
FAX ０７２―７７９―６９０６
E―mail : fukue．
tajima@nsg．
com

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一般に抵抗率に関して，絶縁体のような高抵抗から導電体のような低抵抗までの範囲を１つの手法で測ることは難しい。このため，抵抗率

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表１ 電気的特性の評価方法の規格１）〜９）
規格JIS

物性

62631-3-1

固体電気絶縁材料
JIS C2141－体積抵抗率及びJIS R3256

電気絶縁表面抵抗率の測定

基 板 ガ ラ ス 表 面用セラミ方法の 電 気 抵 抗 率 のック材料

IECIECJIS C2139

体積抵抗率

表面抵抗率

ASTM

ASTM D257-07

IEC62631-3-2

測定方法

試験方法

JIS C2138
電気絶縁材料－比誘電特性

ASTM D150-11

誘電率及び誘電正IEC 60250

接の測定方法は，１０６Ω 程度の抵抗値を閾値として２通りのド電極を付け，主電極と対電極の間に規定の直方法で求められている。１０ Ω 以下の抵抗率の流電圧を印加する。その際に流れる電流を高絶場合は定電流印加法で，それ以上の場合は定電縁抵抗計で計測し，体積抵抗を算出する。算出

圧印加法で測ることが一般的である。ガラスの〜（３）より体積された体積抵抗を用いて，式（１）場合，常温において多くが絶縁体であることか抵抗率を求める。尚，ガード電極は，その印加ら，定電圧印加法が用いられている。

時に主電極と対電極の間以外に流れる漏れ電流６をアースに逃がし，主電極と対電極の間に流れ３―１―１．体積抵抗率の評価方法
図１に体積抵抗率の測定回路図の例を，図２に試験片の電極付与例を示す。図２に示すように，ガラス試験片に主電極，対電極およびガーる電流のみを検出するために付けてある。
Aρv＝ Rvd（１）２π（D１＋g）
A=４（２）

ガード電極

D1 D2 D3主電極gガラス試験片d対電極
d： 試 験 片 の 厚 さ , g： 主 電 極 と ガ ー ド 電 極 の 隙 間 ,D1： 主 電 極 の 直 径 , D2： ガ ー ド 電 極 の 内 径 ,D3： 対 電 極 の 直 径

図１ 体積抵抗率の測定回路図例１）

図２ 体積抵抗率測定試験片の電極付与例

２９NEW GLASS Vol．
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１１９ ２０１６D２−D１g=２（３）

ここで，ρv：体積抵抗率（Ω·m）

ことが必要である。
３―１―２．表面抵抗率の評価方法

Rv：体積抵抗（Ω）

図３に表面抵抗率の測定回路図の例を，図４２A：主電極の有効面積（m ）に試験片の電極付与例を示す。図４に示すよう

d：試験片の厚さ（m）に，ガラス試験片に主電極，対電極およびガー

g：主電極とガード電極の隙間（m）

ド電極を付け，主電極と対電極の間に規定の直D１：主電極の直径（m）

流電圧を印加する。その際に流れる電流を高絶D２：ガード電極の内径（m）

縁抵抗計で計測し，表面抵抗を算出する。算出された表面抵抗を用いて，式（４）および式（５）絶縁材料の特性上，電極間に直流電圧を印加より表面抵抗率を求める。尚，ガード電極は，した際に流れる電流は，誘電分極および移動性

体積抵抗率と同様，印加時に主電極と対電極のイオンの電極への移動により時間とともに漸近間以外に流れた漏れ電流を除去するために付け的に減少する。体積抵抗率が約１０ Ωm 未満のてある。

１０材料の場合は，一般に１分以内に定常状態に達することから，抵抗はこの課電時間経過後に測定するように規定されている１），７）。体積抵抗率がより高い材料については，その時間依存性に合わせて適切な印加時間を設定する方が良いと２），５），７）されている。

体積抵抗率の測定の前提としては，表面に沿

ρs=

Dmπ
Rsg（４）

D１＋D２２（５）Dm=

ここで，ρs：表面抵抗率（Ω）
Rs：表面抵抗（Ω）
Dm：電極の平均直径（m）って流れる漏れ電流や試験片と電極との界面で

g：主電極と対電極間の隙間（m）起こり得る分極現象はないものと考えられていD１：主電極の直径（m）る。しかし，体積抵抗率が高いガラスでは，表D２：対電極の内径（m）

面の僅かな汚染物や水分が付着することにより容易に漏れ電流が発生するため，その影響を抑表面抵抗率の測定において，電極間に直流電えるためには表面の取り扱いに注意するとともに，温度，湿度および電圧の設定にも留意する

対電D1 D2 D3主電極gガラス試験片ガード電極
g： 主 電 極 と ガ ー ド 電 極 の 隙 間 , D1： 主 電 極 の 直 径 ,D2： 対 電 極 の 内 径 , D3： ガ ー ド 電 極 の 直 径

図３ 表面抵抗率の測定回路図例４）３０

図４ 表面抵抗率測定試験片の電極付与例

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１１９ ２０１６圧を印加した際に計測する電流には試験片の表有意義とされている４）。その理由としては２つ面だけでなく試験片の内部を流れた電流も一部挙げられる。１つ目は，水分の影響が少ない高含んでいる。そのため，多少の体積抵抗率成分温の測定値を用いることによる測定誤差の抑制を含むものとして数値を取り扱う方が良い。

である。２つ目は，測定装置の絶縁抵抗以上のまた，体積抵抗率と同様，表面の汚染物の影抵抗率を示すために常温での測定が不可能なガ響があるため，影響する可能性がある溶剤およラスについて常温の抵抗率を算出できることでび水分（湿度）などには十分配慮し，試験片のある。

表面を清浄にすることが重要である。そのた

図５にガラス数種のアレニウスプロットの一め，JIS R３２５６では，「試験片の洗浄は表面を例を示す。図５の近似直線は高温側の測定値４中性洗剤を用いて，こすり洗いをした後水道水点を用いて求めたものとなっている。図５に示によるすすぎを行い，更に超純粋，アセトン，すように，低温で高抵抗を示す石英ガラスや高エタノールな ど の 溶 剤 中 で 超 音 波 洗 浄 を 行

歪点ガラスの場合の実測値は，アレニウスプロう。
」と具体的に定められている。尚，表面抵ットから外れて低い抵抗率を示すものとなって抗率の測定における水分の影響は極めて急速にいるが，抵抗が比較的高くないソーダ石灰ガラ変化することから，測定時に急激な抵抗率の変スの実測値は，低温域においてもアレニウスプ化がある場合は水分の影響を疑うと良い。

ロットに概ね乗っている。このように，高抵抗を示すと予想されるガラスに対しては，アレニ

３―１―３．抵抗率のデータ処理についてウスプロットによる外挿が有効であることが分

ガラスの電気伝導は，概ねイオン伝導であるかる。一方，ソーダ石灰ガラスのように抵抗がのアレニウス式のことから，理論的には式（６）比較的高くないガラスについては外挿でも実測１０）

考え方に従うとされている 。

値でも求めることが可能である。尚，測定可能な抵抗値の上限は測定装置や測定環境ごとに異

１ １
ΔHdc"
σ＝ ＝ exp!−#ρ ρoRT $（６）なる。
３―２．誘電特性の評価方法

ここで，σ：導電率
ρ：抵抗率

誘電特性は，試験片に対向する主電極と対電ρo：定数極間に高周波の交流電圧を印加した際の静電容

ΔHdc：電気伝導の活性化エネルギー量および誘電正接を LCR メーターやインピー

R：気体定数
T：温度の対数をとると，式（７）が得られる。
式（６）logρ=logρo +ΔHdc
RT

（７）

式（７）
から，温度の逆数（１／T）と抵抗率の対数（logρ）との間に一次式の関係があることが分かる。このアレニウスプロットが，抵抗率のデータ処理時に一般的に利用される。特に常温の抵抗率は，複数の高温での測定値から求められた直線式を用いて外挿することが科学的に

図５ ガラス数種のアレニウスプロット

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ダンスアナライザなどで測定することにより得

誘電特性は周波数により変化する。この誘電られる。比誘電率は，測定した静電容量から式特性の変化は，有極性分子の双極子配向および〜（１０）を用いて求められる。図６に試験片（８）

材料内の不均一性から引き起こされる界面分極の電極付与例を示す。ガード電極は，主電極となどの誘電分極および電気伝導によって引き起対電極の間以外に発生する電界により静電容量こされるものである。実質上，比誘電率およびが増加することを防ぐために付けられる。

誘電正接が一定とみなせる誘電材料は，少数のε=

Cx
Co（８）

!D１＋g"# ２ $g＝３．
６dから，実際に使用される周波数で測定することが重要である。また，周波数による影響は，温２Co＝材料に限られており，ガラスは該当しないこと

×１００（９）D２−D１２（１０）ここで，εr：比誘電率度や水分の存在（湿度）により変化するため，温度および湿度は使用環境に近い条件にて計測することが良い。
周波数以外には，温度及び試料の水分含有量の様な物理的条件，また，特殊な場合として，

Cx：試験片の主電極の静電容量値（pF）

電界の強さの影響を受けるため，測定時にはそれらの影響を受けないように注意する必要があ

Co：主電極の面積および試験片の厚さから算出した比誘電率 ε＝１のときの静電容量値（pF）
D１：主電極の直径（m）
g：主 電 極 と ガ ー ド 電 極 間 の 隙 間る。もしくは，条件を記載することを推奨する。

４．規格間の相違点
JIS，ASTM 及び IEC 規格間においては，抵抗率計測時の電極寸法に違いがある。表２に，（m）d：試験片の厚さ（m）
D２：ガード電極の内径（m）

各規格の電極寸法の比較一覧を示す。
高抵抗を示すガラスの場合，数式上では主電極の面積が大きい方が抵抗値の測定誤差は小さくなると考えられる。しかし，主電極の面積増

ガード電極加に伴い，電極と試験片の接触ムラの誤差が発生し易くなることから，主電極寸法を単純に大D1 D2 D3主電極きくすればよいというものでもない。大凡５mm 以下のガラス厚みでは JIS 規格の寸法が実用的と考えられるが，ガラス厚みがより大きくなる場合は，ASTM 規格に示されるように厚みに応じて電極寸法を大きくした方が良い。

g

ガラス試験片５．おわりにd

対電極

本稿では，ガラスの電気的特性を評価する手法や留意点について JIS 規格に基づき説明しd： 試 験 片 の 厚 さ , g： 主 電 極 と ガ ー ド 電 極 の 隙 間 ,D1： 主 電 極 の 直 径 , D2： ガ ー ド 電 極 の 内 径 ,D3： ガ ー ド 電 極 の 直 径た。ガラスが電子材料の１つとして注目されて

図６ 比誘電率測定試験片の電極付与例開発を進めて行く上で重要と考えられる。本稿

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いる今，その電気的特性の評価はガラスの組成

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表２ 抵抗率計測時の電極寸法の違い［mm］
JIS

規格
寸法

JIS C2141

D1： 主 電 極 の 直 径

約 26

約 26～ 36

D2： ガ ー ド 電 極 の 内 径

約 38

約 38

D3： 対 電 極 の 直 径

約 48

約 48

JIS R3256

IEC62631-3-1

記載なし

が多くの方のより良い電気的特性評価に繋がれば幸いである。
参考文献
１）JIS C２１４１「電気絶縁用セラミック材料試験方法」
２）JIS C２１３９「固体電気絶縁材料−体積抵抗率及び表面抵抗率の測定方法」
３）JIS C２１３８「電気絶縁材料−比誘電率及び誘電正接の測定方法」
４）JIS R３２５６「基板ガラス表面の電気抵抗率の測定方法」
５）ASTM D２５７―０７ Standard Test Methods for
DC Resistance or Conductance of InsulatingMaterials”
６）ASTM D１５０―１１ Standard Test Methods for
AC Loss Characteristics and Permittivity（Di-IEC62631-3-2

ASTM-257

タイプ 1

タイプ 2

タイプ 3507625608838

D1+4d8010050

D2+4dd の 4 倍以上electric Constant）of Solid Electrical Insulation”７）IEC６２６３１―３―１ Dielectric and resistive properties of solid insulating materials―Part３―１：Determination of resistive properties（DC methods）―Volume resistance and volume resistivity―General method”
８）IEC６２６３１―３―２ Dielectric and resistive properties of solid insulating materials―Part３―２：Determination of resistive properties（DC methods）―Surface resistance and surface resistivity”
９）IEC６０２５０ Recommended methods for the determination of the permittivity and dielectric
dissipation factor of electrical insulating materials at power，audio and radio frequencies including meter wavelengths”
１０）作花済夫，境野照雄，高橋克明「ガラスハンドブック」（朝倉書店）

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