ITTV20130128A1 - ¿composto in cui tracciare piste elettriche¿ - Google Patents

Description

Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) SPF LC3

“Composto in cui tracciare piste elettriche”

a nome TRYONIC LTD con sede a BURNEY STREET, GREENWICH

53 (REGNO UNITO)

5 Inventori designati: Fabio Cappelli (IT)

DESCRIZIONE

L’invenzione concerne un composto, ad es. da stendere o spruzzare su una qualsiasi superficie, in cui realizzare piste o circuiti conduttori per trasportare cariche elettriche, o segnali in tensione o corrente. Il 10 composto è modificabile per variare localmente la sua conducibilità elettrica.

Cablare superfici o impianti è notoriamente un’operazione costosa e laboriosa. La lunghezza dei cavi, il loro costo e il peso spesso incidono in maniera preponderante, a volte fino a sconsigliare l'inizio dell'opera.

15 WO/2012/137048 ad es. insegna come creare piste conduttive dentro il volume di un composto grazie a molecole polarizzabili via laser. Il composto qui ha però formula complessa, e l’uso di un laser può svantaggiosamente limitare gli ambiti di applicazione.

Si pone il problema di ottenere un composto del tipo suddetto che 20 abbia una formula semplice, e quindi poco costosa e facilmente riproducibile.

Inoltre, è conveniente svincolarsi dall’uso di un laser per la tracciatura delle piste.

Almeno un problema è risolto con il composto e/o metodo e/o uso 25 come nelle rivendicazioni allegate, in cui quelle dipendenti definiscono varianti vantaggiose.

Le percentuali descritte in seguito sono percentuali in peso sul totale, salvo dove specificato altrimenti.

La cellulosa (C6H10O5)ne la classe di sostanze da essa derivate si 30 sono rivelate sorprendentemente un buon materiale in cui ricavare piste elettricamente conduttive. In particolare è vantaggiosa la differenza (calo) di resistività elettrica che si ottiene bruciando o scaldando una Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) porzione di cellulosa facendola carbonizzare.

Si noti che la cellulosa nella tecnica nota è usata al massimo come isolante attorno a conduttori metallici.

In particolare si è accertato che inaspettatamente la nitrocellulosa, 5 sottospecie della cellulosa, fornisce risultati di resistività inferiori alla cellulosa, quindi piste elettriche di qualità migliore. Ed è anche più facilmente spruzzabile e diluibile, così la si può vaporizzare meglio e più facilmente.

La nitrocellulosa (o cellulosa) ha generalmente una resistività di un 10 isolante a temperatura ambiente. Portandola a circa 220-230 °C essa carbonizza, e la sua resistività scende nel campo dei semiconduttori. La variazione di resistenza elettrica per piste o aree maggiormente conduttive elettricamente è sfruttabile per creare ad es. percorsi conduttivi ad hoc, ex novo o in tempo reale, o per gestire stati logici 15 rappresentati da tensioni o correnti.

Preferibilmente per innalzare localmente la temperatura della cellulosa o nitrocellulosa onde carbonizzarla e tracciare la pista si usa un Laser, che dà precisione e comodità di tracciatura. Si possono però usare anche altri metodi di riscaldamento/tracciatura, ad es. mettendo 20 in forno o bruciando con sorgente di calore tratti di (nitro)cellulosa, ad es. lo stilo caldo di uno stagnatore. Bruciando però si opera in maniera poco controllata, i risultati non sono ripetibili con alta precisione, ma per applicazioni di media precisione è sufficiente.

Ad es. in laboratorio su un supporto isolante è stato steso uno strato 25 di nitrocellulosa, e su di esso è stata ricavata (v. oltre come) una pista lunga 7 cm, larga 0,9 mm e profonda circa 7 �m. Lo strato di nitrocellulosa era spesso 50 �m e sopra di esso è passato un raggio laser. Da una resistività praticamente infinita la pista in nitrocellulosa è arrivata ad una resistenza di 3500 �.

30 Vantaggiosamente si possono usare con gli stessi risultati ogni tipo di nitrocellulosa, ad es. la mononitrica (C24H39(NO2)O20), binitrica, trinitrica, etc, fino alla dodecanitrica (C24H28(NO2)12O20.

Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) Per migliorare le prestazioni elettriche, al materiale si aggiungono particelle di materiali nobili (ad es. argento, rame, oro, platino, indio, tungsteno). L'oro ha costi elevati, e tranne l'argento tutti gli altri funzionano con prestazioni inferiori. L'additivazione di queste particelle 5 ha dato risultati sorprendenti. Ancorché siano in sé un materiale conduttivo, la mera introduzione delle particelle nel materiale non porterebbe ad un aumento della conducibilità elettrica totale, a causa di uno strato di ossido isolante che inevitabilmente si forma attorno a ogni particella. Tuttavia, la conducibilità effettivamente migliora, purché le 10 dimensioni delle particelle e/o la loro densità abbiano certi valori. I migliori risultati sono stati ottenuti con particelle, in particolare particelle di argento, con diametro medio da 5 �m a 17 �m, con picco di conducibilità rilevato per diametri da 9 �m a 11 �m. La granulometria o diametro media/o ottimale è preferibilmente 11 �m, ad es. con una 15 composizione delle particelle pari a: il 34% con diametro di 12-18 �m; il 50% con diametro di 11 �m; il 16% con diametro di 3-5 �m.

In particolare per l'argento in polvere o particelle di argento, delle percentuali in peso da 3% a 20%, ancora più in particolare dal 5% al 12%, hanno permesso di ottenere buone prestazioni elettroniche.

20 L'effetto teoricamente si spiega considerando che con l'aumento locale di temperatura lo strato di ossido esplode e i suoi frammenti restano vicino al nucleo della particella. Sui vari nuclei esposti si formerebbe una nuvola elettronica sufficientemente grande da comunicare elettronicamente con quella vicina, da cui la migliorata 25 conducibilità.

Preferibilmente il composto o materiale viene applicato su una superficie con pennello, spruzzatura o stesura a freddo. Onde favorire l'applicazione, si aggiunge al composto un solvente, che funge da diluente e poi evapora dopo la spruzzatura. Si può usare ad es.

30 diclorometano, o solventi organici (ad es. tetracloroetilene, acetone, acetato di metile, acetato di etile, esano).

Preferibilmente al composto viene aggiunto un glicole, come ad es. il Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) PEG (glicole polietilenico). Una percentuale che ha dato buoni risultati è l’1-4%.

L'effetto è tenere molle o flessibile il composto quando il solvente è evaporato, al fine di evitare crepe o lesioni qualora il supporto si deformi 5 o vi siano ad es. escursioni termiche. Inoltre è possibile deformare meccanicamente lo strato di composto solidificato o quasi, permettendo ad es. lo spostamento di elementi mobili al suo interno.

Preferibilmente al composto viene aggiunto un colorante (alimentare o acrilico); con una percentuale che ha dato buoni risultati di circa il 10 2%. Così migliora l'assorbimento del laser per il composto. Il laser potrebbe attraversare il composto senza scaldarlo o bruciarlo, e/o senza agire sulle particelle di materiale nobile (v. oltre).

Si propone anche un metodo per realizzare piste o aree elettricamente conduttive all'interno di un materiale. Il metodo 15 condivide i vantaggi già descritti per il composto, e viceversa. Il metodo si caratterizza per le fasi di

usare come materiale cellulosa o suoi derivati;

innalzare localmente la temperatura di una porzione del materiale. Come fasi opzionali del metodo, da sole o in combinazione:

20 - si usa un laser per innalzare localmente la temperatura di una porzione del materiale;

- come materiale si usa nitrocellulosa;

- si inseriscono nel materiale delle particelle di argento o rame o oro o platino o indio o tungsteno, aventi diametro medio da 5 �m a 17 �m, e 25 percentuale in peso rispetto al materiale che le contiene da 3% a 20%;

- il detto diametro medio è di 10-11 �m;

- si aggiunge un glicole, ad es. PEG (glicole polietilenico), al materiale;

- si aggiunge un solvente, ad es. etere etilico, al materiale;

30 - si aggiunge un colorante alimentare o acrilico al materiale.

Altro aspetto dell’invenzione è l’uso della cellulosa o suoi derivati come materiale in cui realizzare piste o aree elettricamente conduttive Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) tramite innalzamento locale della temperatura di una porzione del materiale.

L’uso sopra definito ha molte particolarizzazioni, ad es. che il materiale è nitrocellulosa. Ogni caratteristica del metodo o composto 5 come rivendicati o descritti in questa domanda possono essere caratteristiche di rivendicazioni di uso. Si noti che il suddetto innalzamento di temperatura nel materiale può servire solo a carbonizzarlo e aumentarne la sua conducibilità elettrica. Un primo effetto è quindi un aumento di conducibilità del materiale. Ulteriori 10 abbattimenti della resistività si hanno tramite l’interazione del Laser con particelle disperse nella cellulosa, v. sotto. L’apporto localizzato di energia e calore, quindi, può agire anche sulle dispersioni dentro la matrice di cellulosa, e la resistività è ancora più bassa proprio per il fatto che tali dispersioni stanno dentro la cellulosa. Il suddetto 15 composto consente anche una tracciatura della pista in modo automatico: messi sotto tensione due punti del composto tra di essi si forma una pista.

I vantaggi dell’invenzione saranno più chiari dalla seguente descrizione di una preferita forma realizzativa di composto, riferimento 20 facendo all’allegato disegno in cui

Fig. 1 mostra uno strato di composto come depositato;

Fig. 2 mostra un ingrandimento del composto di Fig. 1;

Fig. 3 mostra il composto di Fig. 3 in particolare configurazione;

Fig. 4 mostra particelle presenti nello strato di Fig. 1.

25 Su una generica superficie di supporto 10, ad es. una parete, una carrozzeria metallica, un circuito stampato (PCB) o uno strato di vetro, poliacetato o acrilico, viene steso o spruzzato uno strato 20 di composto.

Il composto 20 può essere così formato (in volume):

30 �� 16% polvere micrometrica di Argento (con granulometria come prima specificata),

�� 40% collodio (soluzione al 6% di nitrocellulosa in etanolo o Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) miscela etanolo/dietiletere);

�� 40% diluente, ove il diluente è composto da: 76% butile acetato, 12% etanolo, 8% toluene, 4% etilcellulosa;

�� 2-4% PEG;

5 �� 2% (opzionale) di additivo sensibilizzatore per ottimizzare l'irraggiamento da luce Laser, come ad es. pigment red 112, nome iupac: 2-Naphthalenecarboxamide, 3-hydroxy-N-(2-methylphenyl)- 4-[(2,4,5-trichlorophenyl) azo].

Un'altra formulazione del composto 20, più semplice, può essere: 10 �� nitrocellulosa da 97% a 80%;

�� argento in polvere o particelle di Argento: da 3% a 20%, o meglio dal 5% al 12% per ottenere le prestazioni elettroniche buone.

La nitrocellulosa nell'esempio precedente (per sua unità di peso) è 15 considerata come acquistata commercialmente, e può contenere altri componenti che costituiscono il detto solvente, ad es. etere etilico metanolo dal 98% al 90%, o etere etilico dal 35% al 70% metanolo dal 65% al 30%, e cellulosa semisintetica dal 2% al 10%. Ad es. valori esatti nella nitrocellulosa sono: nitrocellulosa 6% ed etere etilico metanolo 20 94%. La percentuale di solvente comunque non è critica.

I valori citati per le dosi dei vari componenti del composto sono quelli risultati ottimali sperimentalmente, ma sono possibili singole variazioni percentuali, ad es. di � 15%.

In generale allora una formula generica può essere:

25 nitrocellulosa: dal 2% al 10%;

argento in polvere o particelle di argento (come prima descritte): da 3% a 20%, o meglio dal 5% al 12% per ottenere le prestazioni elettroniche buone,

restante %: solvente come prima descritto.

30 La produzione del composto non necessita di particolari accorgimenti, è sufficiente mettere insieme i componenti e mescolarli. Ad es. i componenti si possono miscelare direttamente nel serbatoio di Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) un aerografo, ad es. mediante l’agitazione di un magnete. Oppure si mescola la nitrocellulosa col PEG, si aggiunge il solvente, si mescola, si aggiunge infine il colorante (opzionale).

Una volta steso, il composto 20 si essicca e indurisce in circa 3-5 5 minuti; oppure si può cuocere in forno a circa 80 °C per 5-6 secondi.

Per la polvere o particelle di argento (o altro materiale nobile) si può usare ciò che è commercialmente disponibile (ad es. della ditta Heraeus Precious Metals GmbH & Co. KG).

Il diametro delle particelle può andare da qualche �m a qualche 10 decina di �m, e i risultati sperimentali migliori sono stati ottenuti con un diametro, anche medio, di circa 10-11 �m. Un caso sperimentato con diametro medio di 10 �m aveva la seguente granulometria per le particelle: 34% a 12-18 �m; 50% a 11 �m; 16% a 3-5 �m = valore medio 11 �m o 7 �m, con tutti i valori compresi in questo intervallo.

15 Dopo la spruzzatura del composto 20 le particelle di argento si distribuiscono formando uno strato 30 abbastanza uniforme dentro lo strato di cellulosa 22 (fig. 2). Il peso dell'argento non è sufficiente a farlo precipitare completamente verso il supporto 10, sicché galleggia sulla nitrocellulosa grazie alla maggiore grandezza molecolare di quest'ultima.

20 Se le particelle hanno un diametro inferiore a 5 o 6 �m le piste nel composto cominciano a perdere le caratteristiche di conducibilità, o non si riesce a crearle. Non solo le particelle "galleggiano" sulla (nitro)cellulosa (cosa che impedisce piste interne al suo volume), ma anche facendo un campione mono-pista superficiale la conduzione 25 elettrica è scarsa perché le nuvole elettroniche sono piccole. Se le particelle sono troppo grandi, invece, vanno a fondo prima che la (nitro)cellulosa reticoli e non si ottiene lo strato 30. In altre parole gli intervalli di valore per la dimensione delle particelle entro cui il composto funziona vanno - sorprendentemente – rispettati con buona 30 precisione. Dei valori inferiori o maggiori sono stati provati sperimentalmente ma non sono stati ottenuti risultati soddisfacenti. Il motivo è che c'é precipitazione sul fondo del composto quando le Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) particelle sono troppo grosse o non scendono dentro il composto quando sono troppo piccole.

Su uno strato di composto 20 con spessore di 50 �m lo strato 30 di argento si piazza a circa 35 �m dal supporto 10, ed è spesso circa 7 �m.

5 Si passa poi con un laser L. Si invia il raggio laser nel composto 20, sostanzialmente in direzione perpendicolare alla dimensione maggiore D del supporto 10, e lo si sposta lungo lo strato 20 per creare una pista (direzione F).

Il laser L ha focale tale da giungere e agire sullo strato di particelle.

10 Esso rompe e fa esplodere lo strato di ossido che avvolge le particelle.

Dopodiché attorno a una particella 40 di argento (fig. 4) si forma una nuvola elettronica 42 che mediamente riesce a toccare quella di una particella vicina. Anche se le particelle 40 sono separate da un tratto micrometrico di nitrocellulosa carbonizzata (in media 2-3 �m), e quindi 15 comunque più conduttiva di prima che passasse il laser L, il tratto viene derivato in parallelo dalla nuvola 42, e la conducibilità complessiva dello strato 30 diventa inaspettatamente molto più alta.

Mettendo tante particelle le prestazioni peggiorano, perché lo strato 30 diventa una diffusione pressoché uniforme e indistinta nel volume di 20 (nitro)cellulosa.

In laboratorio sono stati preparati dei provini per sperimentare la tracciatura depositando il composto 20 su differenti supporti plastici. Il composto 20 è stato applicato a spruzzo, in cinque mani successive.

Solitamente l'80% del solvente se ne va evaporando, e restano 50 �m 25 di composto (nitrocellulosa argento 10% solvente).

Lo spessore finale dello strato di composto 20 depositato era circa di 200 �m. E' stata tracciata una pista lunga 4 cm e larga 1 mm, e di spessore 7 micron medi, con la granulometria di argento più grossa.

Polietilene in film:

30 Resistenza della traccia: 2 Ohm (dielettrico: maggiore di 1 G�).

Gomma siliconica (rinforzata con fibre di carbonio):

Conducibilità della traccia dopo passaggio del laser L: 2 � Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) (dielettrico: maggiore di 1 G�).

Ottima adesione del composto sul supporto.

Resina epossidica (Epicloridrina BFA) rinforzata con fibre di carbonio:

5 Conducibilità della traccia dopo passaggio del laser L: 2 � (dielettrico: maggiore di 1 G�).

Polistirene:

Conducibilità della traccia dopo passaggio del laser L: 2 � (dielettrico: maggiore di 1 G�).

10 La migliore conducibilità si è sperimentata con particelle 40 di diametro, anche medio, di 10 �m, e/o con un rapporto vuoto/pieno tra nitrocellulosa e particelle 40 di circa 0.5.

Come laser L p stato usato un laser a 480 �m con focale a 27-28 mm. Si preferisce che la potenza specifica del laser sia 0.6 W/mm*s, e 15 che il laser si sposti con velocità di 1 mm/sec (direzione F).

Per protezione si può sovrapporre al composto 20 tracciato uno strato protettivo 90, ad es. di acrilico o polivinil-alcol (che assorbe anche acqua residua catturata dal composto 20 durante la spruzzatura).

Per creare più livelli di piste sovrapposte si può spruzzare uno strato 20 20, crearci una pista, spruzzarci sopra un altro strato 20, crearci una pista e così via. Tra uno strato 20 e il successivo si può inserire lo strato protettivo 90.

Per accedere alla pista tracciata si può perforare lo strato 20 (fig. 3), ad es. con un laser, per aprire un canale 70 nella nitrocellulosa fino a 25 raggiungere la pista nello strato 30 di particelle. Si versa nel canale 70, ad es. con una siringa o organo erogatore, dell'argento o materiale conduttore liquido e vi si immerge un collegamento conduttore 74. Il materiale conduttore liquido solidifica e collega stabilmente la pista interna con l'esterno.

30 p.i. TRYONIC LTD

Ing. Massimiliano Citron

(Iscr. Albo 1215B)

Claims (10)

1. Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B) SPF LC3 “Composto in cui tracciare piste elettriche” A nome TRYONIC LTD Con sede a BURNEY STREET, GREENWICH 53 (REGNO UNITO) 5 Inventori designati: Fabio Cappelli (IT) RIVENDICAZIONI 1. Metodo per realizzare piste o aree elettricamente conduttive all'interno di un materiale (20), caratterizzato dal fatto di �� usare come materiale cellulosa (22) o suoi derivati; 10 �� innalzare localmente la temperatura di una porzione del materiale.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui un laser (L) innalza localmente la temperatura di una porzione del materiale.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il materiale è 15 nitrocellulosa.
4. 4. Metodo secondo una rivendicazione precedente, in cui si inseriscono nel materiale delle particelle (40) di argento o rame o oro o platino o indio o tungsteno, aventi diametro medio da 5 �m a 17 �m, e percentuale in peso rispetto al materiale che le contiene da 3% a 20%. 20
5. 5. Metodo secondo una rivendicazione precedente, in cui si aggiunge un glicole, ad es. PEG (glicole polietilenico), al materiale, e/o si aggiunge un solvente, ad es. etere etilico, al materiale.
6. 6. Composto (20) in cui realizzare piste o aree elettricamente conduttive al suo interno, caratterizzato dal fatto di comprendere in 25 peso �� cellulosa (22) o suo derivato: dal 2% al 10%; �� particelle (40) di argento o rame o oro o platino o indio o tungsteno, aventi diametro medio da 5 �m a 17 �m, in particolare dal 5% al 12%, e percentuale in peso da 3% a 20%; 30 �� solvente, ad es. etere etilico: % restante.
7. 7. Composto secondo la rivendicazione 6, in cui il derivato è nitrocellulosa. Ing. Massimiliano Citron (Iscr. Albo 1215B)
8. 8. Composto secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui il diametro medio è di 10-11 �m.
9. 9. Composto secondo una rivendicazione precedente, comprendente un glicole, ad es. PEG (glicole polietilenico), ad es. un 2-4 %. 5
10. 10. Uso della cellulosa (22) o suoi derivati come materiale in cui realizzare piste o aree elettricamente conduttive tramite innalzamento locale della temperatura di una porzione del materiale. p.i. TRYONIC LTD Ing. Massimiliano Citron 10 (Iscr. Albo 1215B)