JP2012501087A - 電気的に応答する複合材料、その製造方法及び該材料を使用して製造された変換器 - Google Patents

Abstract

電気的に応答する複合材料が、電気的に応答する複合材料の製造方法、流動性を有するポリマー液体を支持する基板を有する変換器及び変換器の製造方法とともに開示されている。製造された電気的に応答する複合材料は、変換器に適用して構成可能である。方法は、流動性を有するポリマー液体を受け、トンネル効果によって電気伝導を容易にする導電性針状粒子（１５０１、１５０２）を導く工程を含む。複数の誘電性粒子が隣接した針状粒子の間で分散可能なように、針状粒子に応じた大きさの誘電粒子（１５０５、１５０６）が加えられる。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２００８年８月２９日出願の英国特許出願第０８１５７２４．０号、２００９年１月２３日出願の英国特許出願第０９０１１０３．２号及び２００９年５月２６日出願の英国特許出願第０９０９００１．０号に基づく優先権を主張するものであり、これらはすべて、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

［発明の背景］
１．発明の分野
本発明は、変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料を製造する方法に関する。本発明は、更に変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料に関する。本願は、更に変換器を製造する方法、及び流動性ポリマー液体を支持する基板を有する変換器に関する。

２．関連技術の説明
変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料は、米国特許第６,２９１,５６８号に記載されている。この複合材料は分散している導電性粒子を有し、該導電性粒子は非導電性ポリマーによってカプセル化されている。このような該粒子の性質と濃度によって、その材料の抵抗は印加された変形力に応じて変化する。しかしながら、このポリマー材料は、該材料が配置され得る適応数をすべて順番に制限する液体の形態ではない。更に、該開示された材料は凸部を有する空隙運搬粒子の存在に依存するので、電界は集中し、電界に援助されたトンネル効果によって導電可能になる。しかし、このタイプの材料では、変換器へ適用して配置されると、望ましくないレベルの電気ノイズが発生することがわかっている。

変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料は、ＷＯ２００８／１３５,７８７に記載され、参照によりその全体がここに含まれる。開示された材料は、針形状の第２導電性粒子と協力して空隙運搬構造を有する第１導電性粒子を含む実質的に非導電性のポリマーを有する。ＷＯ２００８／１３５,７８７に記載されたポリマー材料は、針状粒子が存在するので非常に優れたノイズ特性を示す変換器が開発できる。しかしながら、装置に適用され、その後転移が容易に生じ、流動性ポリマー液体から弾力性固体ポリマーに変化する移転が容易に生じる流動性ポリマー液体の開発という観点において、空隙運搬粒子の存在は問題である。

ＷＯ２００８／１３５,７８７には、非導電性ポリマーは、空隙運搬粒子の不存在下、針状導電性粒子と混合されるという別の提案が示されている。ＷＯ２００８／１３５,７８７の提案は、更に非導電性溶媒又は水ベースのポリマーを使用して複合材料を製造する可能性を見出しているので、その材料は流動性ポリマー液体として利用でき、したがって変換器装置への適用が容易なる。しかし、変換器への適用に使用されると、更なる課題がこの種の複合材料に認められた。

国際公開第２００８／１３５,７８７号パンフレット

公知の装置は、電気が印加されると抵抗値が変化し得る効果を特性として示す残余物が形成（おそらく溶媒の蒸発によって）される可能性がある。しかしながら、この種の材料は、圧力の付加に敏感になる材料であるより前に不十分な応答を示す。このように、発明者は、米国特許第６,２９１,５６８号に記載されている材料に存在する先端のとがった空隙運搬粒子の供給が最初の接触感度を与えることを判明した。しかし、これらの粒子の存在は電気ノイズを発生させるという欠点があり、そして、該粒子は流動性ポリマー液体が構造目的として必要とされる状況に配置されることは困難である。

［発明の簡単な説明］
本発明の第１の態様によれば、変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料を製造する方法であって、流動性を有するポリマー液体を受け；トンネル効果によって電気伝導を容易にする導電性針状粒子を導き；そして、複数の誘電性粒子が隣接した針状粒子の間で分散可能なように前記針状粒子に応じた大きさの前記誘電粒子を加える；工程を含む方法が提供される。

好適な実施態様では、電気的に応答する複合材料が、流動性を有する液体の形態で適用され、弾力性を有する固体の形態への転移を容易にすることによって変換器に構成可能である。

本発明の第２の態様によれば、変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料であって、流動性を有するポリマー液体と;トンネル効果によって電気伝導を容易にする導電性針状粒子と;そして、複数の誘電性粒子が隣接した針状粒子の間で分散可能なように前記針状粒子に応じた大きさの誘電粒子とを含む複合材料が提供される。

好適な実施態様では、誘電材料が二酸化チタンである。好ましくは、針状粒子が大きい寸法と小さい寸法を有し;そして誘電粒子の大きさは前記小さい寸法と同等なオーダーである。小さい寸法は１０ナノメートルと３００ナノメートルの間の大きさである。

本発明の第３の態様によれば、変換器を製造する方法であって、導電性針状粒子と誘電粒子を含む流動性ポリマー液体を適用し;前記流動性ポリマー液体から弾力性を有する個体ポリマーへの転移を容易にし、前記弾力性を有する個体ポリマーが、前記誘電粒子と協力してその中で分散する前記導電性針状粒子を有し;前記誘電粒子が、複数の前記誘電粒子が隣接した針状粒子間で分散するように、前記針状粒子に応じた大きさである;工程を含む方法が提供される。

好適な実施態様では、流動性ポリマー液体が回路基板に適用される。他の好適な実施態様では、流動性ポリマーが、電極、織物又はフィルムに適用される。

本発明の第４の態様によれば、流動性を有するポリマー液体を支持する基板を備え、前記流動性を有するポリマー液体が転移して弾力性を有する個体ポリマー材料を形成するのを容易にし、前記弾力性を有する個体ポリマー材料の電子回路への接続を容易にする変換器であって；前記弾力性を有するポリマー材料が、誘電粒子と協力してその中に分散した半電導性針状粒子を有し;前記誘電粒子が、複数の前記誘電粒子が隣接した針状粒子間で分散するように、前記針状粒子に応じた大きさである；変換器が提供される。

図１は、本発明を具現化する材料の製造及び使用方法を例示する。 図２は、一般化された針状形状を示す。 図３Ａは、本発明に係る組成物の実施例１及び２における樹脂、溶媒、誘電粉末及び針状電気活性粉末の相対量（重量比）を示す表である。図３Ｂは、従来技術による対照組成物の実施例１及び２における樹脂、溶媒、誘電粉末及び球状電気活性粉末の相対量（重量比）を示す表である。 図４は、実施例１において説明した本発明に係る第１の組成物サンプル（図３Ａ−針状電気活性粉末）と第１の対照組成物（図３Ｂ−球状電気活性粉末）に加えられた力のプロファイルを示す図である。図示された力のプロファイルは１回の運転について規定する。 図５は、特定の運転番号について図４にて説明した単一運転の１００回の繰り返しに従って、実施例１にて説明した本発明に係る第１の組成物サンプル（図３Ａ−針状電気活性粉末）の抵抗プロファイルを示す図である。 図６は、特定の運転番号について図４にて説明した単一運転の１００回の繰り返しに従って、実施例１にて説明した第１の対照組成物サンプル（図３Ｂ−球状電気活性粉末）の抵抗プロファイルを示す図である。 図７は、実施例１において説明した、本発明に係る第１の組成物サンプル（図３Ａ−針状電気活性粉末）と第１の対照組成物サンプル（図３Ｂ−球状電気活性粉末）についての最初及び１０回毎の運転番号の２００ニュートン（Ｎ）における（最初の運転の５０Ｎの抵抗値に標準化された）抵抗値をプロットした説明図である。 図８は、特定の運転番号について、実施例１において説明した、本発明に係る第１の組成物サンプル（図３Ａ−針状電気活性粉末）と第１の対照組成物サンプル（図３Ｂ−球状電気活性粉末）に対する（最初の接触の抵抗値に標準化された）力に対する抵抗値をプロットした図である。 図９は、図８の一部分について更に詳細を示す。 図１０は、実施例２において説明した本発明に係る第２の組成物サンプル（図３Ａ−針状電気活性粉末）及び第２の対照組成物サンプル（図３Ｂ−球状電気活性粉末）に加えられた力のプロファイルを示す図である。図示された単一運転について規定する。 図１１は、特定の運転番号について図１０にて説明した単一運転の２００回の繰り返しに従って、実施例２において説明した本発明に係る第２の組成物サンプル（図３Ａ−針状電気活性粉末）の抵抗プロファイルを示す図である。 図１２は、特定の運転番号について図１０にて説明した単一運転の２００回の繰り返しに従って、実施例２にて説明した第２の対照組成物サンプル（図３Ｂ−球状電気活性粉末）の抵抗プロファイルを示す図である。 図１３は、実施例２にて説明した、本発明の第２の組成物サンプル（図３Ａ−針状電気活性粉末）及び第２の対照組成物サンプル（図３Ｂ−球状電気活性粉末）についての最初及び１０回毎の運転番号の５０Ｎにおける（最初の運転の５０Ｎの抵抗値に標準化された）抵抗値をプロットした説明図である。 図１４は、本発明に係る組成物のユニットを示す。 図１５は、本発明を具現化する一実施態様を示す。 図１６は、薄片の形状の本発明に係る組成物を示す。 図１７は、フィルムの形状の本発明に係る組成物示をす。 図１８は、シートの形状の本発明に係る組成物示をす。 図１９は、本発明に係る組成物のシートを製造する方法を示す。 図２０は、組成物を基板に適用する方法を示す。 図２１は、本発明に係るポリマー組成物の適用実施例を示す。 図２２は、本発明に係るポリマー組成物の更なる実施例を示す。

[好ましい実施態様の詳細な説明]
（図１）
図１は、変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料の製造方法を例示する。流動性ポリマー液体１０１は混合行程１０２にて受け入れられる。導電性針状粒子１０３は混合行程１０２に導かれ、トンネル効果によって電気伝導を容易にする。更に、複数の誘電性粒子が多数の隣接した針状粒子間で分散するように、針状粒子に応じた大きさの誘電粒子１０４が添加される。

装置の運転は主にトンネル効果に依存するので、材料に依存する変換器装置はいずれも電界電子放出に非常に依存する。公知のように、誘電粒子の含有は生成する複合材料の誘電特性に影響を与える。そして、その結果として、必要とされる電界電子放出に有害影響が与えられる傾向があり得る。したがって、所望の運転性能を達成するために電界電子放出に非常に依存する複合材料内に誘電粒子を含有することは、通常は直観に反するように思われる。

ステップ１０２の混合後、ステップ１０５にて材料は保存され、輸送される。流動性を有するポリマー液体はインクと実質的に同様な整合性をとり、誘電粒子は、商業的に使用できるようなインクの形態で得られる。針状粒子は顔料に含まれ得るほど十分に小さく、誘電粒子は更に小さい。好適な実施例では、針状粒子は大きい寸法がミクロンレンジである。針状粒子の小さい寸法はナノレンジであり、誘電粒子は実質的に同様な大きさである。

粒子の相対的な大きさはこのようなので複数の誘電粒子が多数の（必ずしもすべてではない）隣接した針状粒子間に位置する。好ましくは、誘電粒子は有機材料で覆われ、それによって分散可能になり、まとまって塊になることが防止される。これは粒子の分散を促進するので、複数の粒子が多くの隣接した針状粒子の組間に位置することができる。

粒子間に障壁があるので電気伝導性を得るためにはトンネルを通すことが必要である。粒子が直接接触していない限り電流はほとんど流れない。しかしながら、（ＷＯ２００８／１３５,７８７に説明されているように）とがった端を有する針状粒子が存在すると、電界を生じ、その電界はエネルギーバリアを下げるのでトンネルが可能となる。誘電定数が上昇したので針状粒子の端の電界は誘電材料によって減じられる。しかしながら、誘電粒子は追加のエネルギーレベルを導き、該エネルギーレベルはトンネルプロセスを支援し、効果的にトンネル距離を減らすことができる。この帯電はより少し複雑な経路を通る。このように、適切な状況において、より低い電流が予測されるところに高電流を得ることができる。これは逆に、最初の特性を望ましい第１の接触動作を与えるように変える。誘電粒子の含有によって、即時の指接触効果と組み合わせて高度に望ましい特性をもつ変換器が開発できる、より大きな作動範囲が更に提供される傾向がある。

更なる調査によって、誘電粒子の存在なしで、帯電量の増加がポリマー領域で生じ得ることがわかった。これによって複合材料の導電性はより増すが、継続的な力の作用で、複合材料はその導電率を増すので、その全体的な応答に関して偏流（drift）がある。更なる実験によって、誘電粒子が存在すると偏流が生じない傾向があることが示された。

更に、針状粒子はそのメカニカル特性のためより長い期間に亘ってより不安定な傾向にあることが知られている。針状粒子は強い力の下ではより不安定であり、歪みが生じる可能性が高い；例えば、針が曲がり又は折れる。誘電粒子は、材料のメカニカル的無欠状態が強化されるように、この状態を改良する。

要約すると、利用できる電界を減少させる理由は直観に反することであるにもかかわらず、誘電粒子が含まれることによって、変換器メカニズムの最初の接触応答性が改良され、偏流の減少による変換器メカニズムの反復性が増加し、更に複合材料の全体的なメカニカル的無欠状態が改良される。

図１に示すように、分散すると、１０６に示すように、複合材料は液体として利用できる。

ステップ１０７において、液体状態から弾力性を有する固体状態への転移が起きる。この転移は溶媒の蒸発によって起り得る；その溶媒は、ポリマーの性質に依存する、例えば水又は有機溶媒である。代替として、シリコン・ベースのポリマーであれば、定着媒体の添加によって材料を硬化又は定着することが可能である。ステップ１０７における転移を生じさせる他の態様では、紫外線放射などの放射の存在によって、あるポリマー材料を硬化させることが可能である。

その後、弾力性を有する変換器材料がつくられ、ステップ１０８に示すように、全体的な装置が組み立てられる。

（図２）
図２は、一般化された針状を示す。形状２０１は、幅２０２と高さ２０３と長さ２０４を有する。本明細書において、形状の幅に対する長さの比率を「アスペクト比」と呼び、「針状」という言葉は、１：１より大きいアスペクト比を有する形状を説明するために用いる。「球状」という言葉は、円形の横断面及び１：１と同程度のアスペクト比を有する形状を説明するために用いる。規則正しく及び不規則な形状の針状粒子のいずれも組成物に使用され得る。

（図３Ａ及び３Ｂ）
図３Ａは、本発明によるポリマー組成物の実施例１及び２の樹脂、溶媒、誘電粉末及び電気的に活性な針状粉末の相対量（重量比）を示す表である。図３Ｂは、従来技術による対照ポリマー組成物の実施例１及び２の樹脂、溶媒、誘電粉末及び電気的に活性な球状粉末の相対量（重量比）を示す表である。

（図４〜９）
図４〜９は、実施例１のポリマー組成物に関する。

以下に概要を説明する実施例１では、第１の組成物は電気活性充填材として電気的に半導電性の針状粉末を含むのに対して、第１の対照組成物は電気活性充填材として電気的に半導電性の球状粉末を含む。

第１の組成物（針状電気活性充填材）
ポリプラスト型ＰＹ３８３は溶媒ベースのビニル樹脂である。７３.５ｇのＰＹ３８３がビーカー中で計量された。これに、ポリプラストＺＶ５４５溶媒５５.３ｇ、クロノス型１０８０二酸化チタン粉末８３.４ｇ、及びイシハラＦＴ−２０００針状半導電性粉末３７.８ｇが加えられた。ＦＴ−２０００は、アンチモンでドープ（dope）されている二酸化スズによって覆われた二酸化チタンを含む。混合物は人手で５分間撹拌された後、０.８〜１.０ｍｍのビーズが８０ｃｃ充填されたディスパーマットＶＭＡゲッツマン・モデルＤ−５１５８０ビーズミル中に静かに注がれた。撹拌は、ディスパーマットＳＬプレスを使用して０.７ｍｌ／秒でビーズ室（４０００ｒｐｍで回転している）を通して行われた。

ビーズミルからのデカンテーション後、組成物は、５０ミクロン真鍮シム上にドクターブレード（doctor blade）され、９O℃のオーブン中で３０分間乾燥された。

第１の対照組成物（球状電気活性充填材）
対照として、ポリプラスト型ＰＹ３８３ ６２.５ｇ、ポリプラストＺＶ５４５溶媒４７.０ｇ、クロノス型１０８０二酸化チタン７０.９ｇ、及びイシハラＥＴ−５００Ｗ針状半導電性粉末６９.６ｇの混合物がビーズミルにかけられ、上記と同じ条件でドクターブレードされ、乾燥処理された。ＥＴ−５００Ｗは、ＦＴ−２０００と同じ組成であり、形状が異なるだけである。

試験
ＦＴ−２０００とＥＴ−５００Ｗの添加量は、組成物中の相対的な表面積が等しくなるように選ばれた。このようにして、同様な硬化されていない粘性を有するインクを製造した。

サンプルの抵抗−力応答は、５００Ｎ負荷セルを備えたインストロン・モデル５５４３単一カラム試験システムを使用して測定された。１ｃｍｘ１ｃｍ四方の５０ミクロン真鍮シムがサンプルの表面上に上部電極としてに配置された。下部電極は、その上にサンプルがドクターブレードされた真鍮シムであった。直径４ｍｍのステンレス鋼プローブは、５ｍｍ／分の速度で真鍮シム/インク/真鍮シム構造を０Ｎから２００Ｎまで圧縮し０Ｎまで戻すことを１００回繰り返した。サンプルの抵抗はケイスレー２０００デジタル・マルチメータを使用して測定した。

図４は、実施例１の第１の組成物サンプル（針状電気活性粉末）及び第１の対照組成物（球状電気活性粉末）に加えられた力のプロファイルを示す図である。力のプロファイルは単一運転について規定する。

図５は、図４にて説明した１００回の単一運転の最初及び１０回毎の適用についての実施例１の第１の組成物サンプル（針状電気活性粉末）の抵抗プロファイルを示す図である。

図６は、図４にて説明した１００回の単一運転の最初及び１０回毎の適用についての実施例１の第１の対照組成物サンプル（球状電気活性粉末）の抵抗プロファイルを示す図である。

図５及び図６を対照すると、第１の対照組成物サンプル（球状電気活性充填材）は使用に応答して安定的かつ連続した変化を示すが、第１の組成物サンプル（針状電気活性充填材）は、使用に応答してより安定した応答を示すことがわかる。。

図７は、第１の組成物サンプル（針状電気活性充填材）及び第１の対照組成物サンプル（球状電気活性充填材）の２００Ｎにおける抵抗値（Ｒ）をプロットした図であり、１００回に亘る運転に対して最初の運転における２００Ｎでの抵抗値（R at 200N_RUN1）に標準化した。

図７から、第１の組成物サンプル（針状電気活性充填材）は漸近的な動作を表示するのに対して、第１の対照組成物サンプル（球状電気活性充填材）は指数法則の動作を表示する。

図７から、針状電気活性粒子と誘電粒子の組み合わせが球状電気活性粒子と誘電粒子の組み合わせに比較して再現性が改良されていることは明らかである。針状電気活性粒子と誘電粒子の間の相互作用は、球状電気活性粒子と誘電粒子の間の相互作用を上回る。このように、誘電粒子充填材と組み合わせた電気的に活性な充填材の形状の違いによって反復使用における応答の違いが生じることが示唆される。

図８は、第１の組成物サンプル（針状電気活性充填材）と第１の対照組成物サンプル（球状電気活性充填材）の特定の４運転番号（３０、５０、８０及び１００運転）における（最初の接触の抵抗値に標準化された）抵抗−力特性を示す図である。

図８は、針状電気活性粒子と誘電粒子を組み合わせて使用することは、球状電気活性粒子と誘電粒子を組み合わせて使用する場合と比較して改良点が３つあることを示している。

第１に、針状ベース・サンプルは、連続サイクルを通じて力の応答についてほとんど変化がない。これは、選択された各運転の針状ベースのデータを重ねることによって強調される。具体的には、針状ベース・サンプルは、一旦漸近的な平坦域に達すれば一定の応答特性を有することを示す。これは、重ねられず、各運転が異なる値になる傾向にある球状ベースのデータによって示さる従来技術を超える改良である。観察すべき第２の特徴は、最初の接触及び低加圧力における針状ベース・サンプルのより滑らかな始まりである。第３に、低い力において、針状ベース・サンプルは、球状ベース・サンプルと比較してはるかにより大きい感度を示す。

図９は、図８の一部であり、最初の５Ｎの力に対する、第１の組成物サンプル（針状電気活性充填材）と第１の対照組成物サンプル（球状電気活性充填材）の特定の４運転番号（３０、５０、８０及び１００運転）における（最初の接触時の抵抗値に標準化された）抵抗−力特性を示す。

図９は、図８を参照して検討した第２及び第３の特徴を強調する。針状ベース・サンプルの低い力における抵抗−力の応答の滑らかな始まりと感度の向上は、球状ベース・サンプルのそれと比較すると、両者とも明らかである。

（図１０〜１３）
図１０〜１３は、実施例２に関する。以下に概要を説明する実施例２では、第２の組成物は電気活性充填材として電気的に半導電性の針状粉末を含む。一方、第２の対照組成物は電気活性充填材として電気的に半導電性のある球状粉末を含む。

第２の組成物（針状電気活性充填材）
第２の組成物の成分と成分の比率は、実施例１の第１の組成物の場合と同じであった。

しかしながら、組成物は磁気撹拌器によって４００ｒｐｍで３０分間、機械的に撹拌混合された。

実施例１と同様に、組成物は、５０ミクロン真鍮シム上にドクターブレードされ、９O℃のオーブン中で３０分間乾燥された。

第２の対照組成物（球状電気活性充填材）
第２の対照組成物の成分及び成分の比率は、実施例１の第１の対照組成物の場合と同じであった。

再び、組成物は磁気撹拌器によって４００ｒｐｍで３０分間、機械的に撹拌混合された。

試験
試験は、プローブが０Ｎから５０Ｎまで圧縮し０Ｎまで戻すことを２００回繰り返すことを除いて、実施例１と同である。

図１０は、実施例２の第２の組成物サンプル（針状電気活性粉末）と第２の対照組成物サンプル（球状電気活性粉末）に加えられた力のプロファイルを示す。この力のプロファイルは単一運転を規定する。

図１１は、図１０にて説明した２００回の単一運転の最初及び１０回毎の適用についての実施例２の第２の組成物サンプル（針状電気活性粉末）の抵抗プロファイルを示す図である。

図１２は、図１１にて説明した２００回の単一運転の最初及び１０回毎の適用についての実施例２の第２の対照組成物サンプル（球状電気活性粉末）の抵抗プロファイルを示す図である。

図１３は、第２の組成物サンプル（針状電気活性充填材）及び第２の対照組成物サンプル（球状電気活性充填材）の５０Ｎにおける抵抗値（最初の運転の５０Ｎにおける抵抗値に標準化）を２００回に亘る運転の運転番号に対してプロットした図であり、抵抗値は最初の運転における５０Ｎでの抵抗値に標準化した。

図１１、１２及び１３を比較すると、実施例１と異なる混合方法の下、組成物の針状電気活性粒子と誘電粒子の組み合わせが球状電気活性粒子と誘電粒子の組み合わせに比較して再現性が改良されていることは明らかである。

別の実施例では、重合体バインダは水ベースであってもよい。別の実施例では、重合体バインダは紫外線放射によって硬化できるものであってもよい。別の実施例では、第２の充填材はカーボン・ナノチューブであってもよい。

このように、本発明は、不規則な形状の電気的に活性な粒子と誘電粒子を含み、重合体バインダ中に分散された、圧力に応答することができる可変電気抵抗インク又は塗料を提供する。不規則な形状の電気的に活性な粒子と誘電粒子の組み合わせは、既に報告されている規則的な形状の電気的に活性な粒子と誘電粒子の混合物と比較してより高感度で改良された耐久性を示す組成物である。

（図１４）
図１４は、本発明に係る組成物のユニットを示す。ユニット１４０１は静止状態を示し、通常の立方体形状である。ユニット１４０１内で、例えば針状粒子１４０２、１４０３及び１４０４のような電気的に活性な針形状の粒子はランダムな方向に配置されている。しかしながら、所望により、粒子を特定の方向に整列配置する従来の方法を実現することができる。例えば誘電粒子１４０５、１４０６及び１４０７のような誘電粒子はユニット１４０１内に分散している。

組成物ユニット１４０１は等方性の電気伝導率を示す。第１の充填材（誘電粒子）に対する第２の充填材（電気的に活性な針状粒子）の比率が大きければ大きい程、その組成物の電気伝導率が大きいことがわかった。第２の充填材（電気的に活性な針状粒子）のアスペクト比が大きければ大きい程、電気的に活性な球状粒子を含む対照組成物の充填量と同等な性質を示すために必要な適用充填量は少ないことがわかった。

組成物ユニット１４０１は、加えられた変形力によって静止状態から変形可能である。上記実施例１及び２を参照して既に検討したように、組成物の電気抵抗は圧縮力に応じて減少する。

（図１５）
図１５は、本発明の態様を具体化している電気的に応答する複合材料の実施例の詳細を示す。図１５に示す粒子の配置は、ステップ１０７で製造された弾力性を有する固体の配置を説明する。導電性針状粒子１５０１から１５０３は、トンネル効果によって個体ポリマーを通る電気伝導を促進するが、他の様態による電気伝導が生じるかもしれない。導電性針状粒子１５０１から１５０３は、例えば粒子１５０４、１５０５及び１５０６のような誘電粒子に囲まれている。例えば粒子１５０６のような誘電粒子は同じ大きさなので、複数のこれらの誘電粒子が隣接した多くの針状粒子間で分散するであろう。したがって、針状粒子１５０２と針状粒子１５０３の間に、誘電粒子１５０５及び１５０６が分散している。

粒子１５０５及び１５０６の存在によって別の伝導経路が提供される。この種の経路の例は、針状粒子１５０２の下部の位置１５０７から、誘電粒子１５０５を通り、そして誘電粒子１５０６を通り、針状粒子１５０３に達する。このように、小さいサイズの誘電粒子の存在は、粒子間のトンネル飛越しが比較的短くなるような別の経路を提供する。１５０８は、誘電粒子の存在によって容易になる複合材料を通る荷電の流れ方向の１例を示す。このような方法によって、前述のように電気伝導特性は強化される。

（図１６）
図１６は、薄片１６０１の形状の本発明に係る組成物を示す。薄片１６０１は、Ｚ軸方向に作用した、組成物との機械的相互作用を検出するように構成された電気回路に接続可能である。この例では、薄片１６０１は、指１６０２の動作によって加えられた機械的相互作用に敏感に応答する。

（図１７）
図１７は、フィルム１７０１の形状の本発明に係る組成物を示す。フィルム１７０１は、Ｚ軸方向に作用した、組成物との機械的相互作用を検出するように構成された電気回路に接続可能である。この例では、フィルム１７０１は、スタイラス１７０２の動きによって加えられた機械的相互作用に影響される。本発明に係る組成物の層形状において、Ｘ軸とＹ軸方向の電気伝導率がＺ軸方向の電気伝導率より実質的に小さくなる層の厚さを決定することが可能である。したがって、本発明によると、Ｘ、Ｙ及びＺ軸の異なる感度と電気伝導率プロファイルを有する組成物が製造され、本発明に係る組成物は異なった適用に使用され得る。

（図１８）
図１８は、シート１８０１の形状の本発明に係る組成物を示す。シート１８０１は、取り扱いの程度に耐えることができる。したがって、シート１８０１は、図示するように、その構造が保持されつつ、手１８０２で握持され、持ち上げられるであろう。更に、シート１８０１は一定の復元力を示すので、もしシートが機械的相互作用に応答して平らな形状からクシャクシャにされた形状になれば、シートは、その機械的相互作用の除去に伴い、クシャクシャな形状から平らな形状へ変わるであろう。

（図１９）
図１９は、本発明に係る組成物のシート１９０１を製造する方法を示す。組成物の成分は、例えば上記実施例１又は実施例２で概説したステップに従って、組成物を製造するために集められる。次いで組成物は乾燥前に基板上に置かれる。乾燥時、組成物の層は次に基板から剥がされる。この例では、基板１９０２は連続する表面１９０３を有するので、生成シート１９０１もまた連続層として形成される。

上述のように、対照組成物（球状電気活性粒子と誘電粒子）と比較すると組成物（針状電気活性粒子と誘電粒子）の耐久性が改良されることが期待される。耐久性の改良は、組成物の電気的に活性な針状粒子と誘電粒子の組み合わせの結果であることが示されている。

組成物を基板に適用する技術は、コーティング、塗装、ブラシがけ、回転、画面印刷、ステンシル印刷、ドクターブレーディング、インクジェット印刷又はマイヤーバー技術による適用を含むが、これに限定されない。基板は、異なった適用に対しては異なるであろう。基板としては、例えば、織物、フィルム、回路基板がある。

別の実施例では、組成物は、例えば、ネット、メッシュ又は織物のような非連続媒体の上に覆うことができる。組成物が硬化すると、非連続媒体と組成物の両者を含む単一物が製造される。製造物が基板から剥がされるときに、開口はその物に規定され、通気性の層が生成される。

別の実施例では、組成物の層は防水に作られる。これは、組成物中のポリマー樹脂を適切に選択することによって達成できる。

実施例１及び実施例２の組成物は最初は灰色/白色である。しかしながら、組成物は顔料で染色され得る。これは、組成物の審美的な品質が重要とされる、又は、例えば分類システムの一部として色が情報伝達するであろう状況における適用において有利である。

（図２０）
図２０は、組成物１０１を基板２００１に適用する方法を示す。組成物の成分は、例えば上記実施例１又は実施例２で概説したステップに従って、組成物を製造するために集められる。次に、組成物は乾燥前に基板２００１上に置かれる。本実施例によれば、基板２００１は電気伝導電極を含むので、適切な電気回路に含まれると、組成物との機械的相互作用が検出され得る。しかしながら、基板は適用によって変わり、例えば織物又はフィルムを含むであろうことは理解されるべきである。

組成物を基板に適用する技術は、コーティング、塗装、ブラシがけ、回転、画面印刷、ステンシル印刷、ドクターブレーディング、インクジェット印刷又はマイヤーバー技術による適用を含むが、これに限定されない。本発明の適用を示す別の実施態様は後の図を参照して更に説明する。

（図２１）
図２１は、本発明に係る組成物の適用実施例を示す。組成物は、例えば衣服２１０２のセンサ２１０１などのようなセンサに利用できる。しかしながら、本発明に係る組成物が多くの分野で多くの装置に多くの適用があることは理解できる。

（図２２）
図２２は、本発明に係る組成物の更なる実施例を示す。組成物は、携帯電話２２０１内のセンサに使用できる。本実施例において、センサは領域２２０２内にあり、領域２２０２は、ユーザの機械的相互作用を検出するように構成された接触画面として利用できる。このような機械的相互作用は、携帯電話２２０１の機能を選び、制御するために使用される。

特定の適用例が本明細書中に記載されたが、本発明に係る組成物は、異なる分野及び装置に亘って多くの適用が可能である。例えば、本発明に係る組成物は、スポーツ適用、医療適用、教育適用、産業適用、携帯電話適用、玩具とゲームへの適用、着用アイテムへの適用、自動車適用、ロボットへの適用、セキュリティ適用、キーボード及び入力装置への適用において使用されるであろう。

Claims (21)

1. 変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料を製造する方法であって、
   流動性を有するポリマー液体を受け;
   トンネル効果によって電気伝導を容易にする導電性針状粒子を導き;そして
   複数の誘電性粒子が隣接した針状粒子の間で分散可能なように前記針状粒子に応じた大きさの前記誘電粒子を加える;
   工程を含む方法。
2. 前記電気的に応答する複合材料が、流動性を有する液体の形態で適用され、弾力性を有する固体の形態への転移を容易にすることによって変換器に構成可能である請求項１記載の方法。
3. 前記流動性を有する液体が溶媒中にポリマーを含み、前記転移が前記溶媒の蒸発によって促進する請求項２記載の方法。
4. 前記流動性を有する液体がシリコン・ベースのポリマーであり、前記転移が架橋結合反応によって促進する請求項２記載の方法。
5. 前記流動性を有する液体が紫外線に感応し、前記転移が紫外線の適用によって促進する請求項２記載の方法。
6. 前記材料が、回路基板、電極、織物又はフィルム上に前記流動性を有する液体の形態で適用される請求項２記載の方法。
7. 変換器に適用して構成可能な電気的に応答する複合材料であって、
   流動性を有するポリマー液体と;
   トンネル効果によって電気伝導を容易にする導電性針状粒子と;そして
   複数の誘電性粒子が隣接した針状粒子の間で分散可能なように前記針状粒子に応じた大きさの誘電粒子とを含む複合材料。
8. 前記誘電材料が二酸化チタンである請求項７記載の電気的に応答する複合材料。
9. 前記針状粒子が大きい寸法と小さい寸法を有し;そして前記誘電粒子の大きさが前記小さい寸法と同等なオーダーである請求項７記載の電気的に応答する複合材料。
10. 前記小さい寸法が１０ナノメートルと３００ナノメートルの間の大きさである請求項９記載の電気的に応答する複合材料。
11. 前記誘電粒子が分散を促進する有機コーティングを有する請求項７記載の電気的に応答する複合材料。
12. 変換器を製造する方法であって、
    導電性針状粒子と誘電粒子を含む流動性ポリマー液体を適用し;
    前記流動性ポリマー液体から弾力性を有する個体ポリマーへへの転移を容易にし、該弾力性を有する個体ポリマーが、前記誘電粒子と協力してその中で分散する前記導電性針状粒子を有し;
    前記誘電粒子が、複数の前記誘電粒子が隣接した針状粒子間で分散するように、前記針状粒子に応じた大きさである;
    工程を含む方法。
13. 前記流動性ポリマー液体が回路基板に適用される、請求項１２記載の変換器を製造する方法。
14. 前記流動性を有するポリマーが、電極、織物又はフィルムに適用される、請求項１２記載の変換器を製造する方法。
15. 流動性を有するポリマー液体を支持する基板を備え、前記流動性を有するポリマー液体が転移して弾力性を有する個体ポリマー材料を形成するのを容易にし、前記弾力性を有する個体ポリマー材料の電子回路への接続を容易にする変換器であって：
    前記弾力性を有するポリマー材料が、誘電粒子と協力してその中に分散した半電導性針状粒子を有し;
    前記誘電粒子が、複数の前記誘電粒子が隣接した針状粒子間で分散するように、前記針状粒子に応じた大きさである変換器。
16. 前記弾力性を有するポリマー材料が、加えられたエネルギーの形態の照射量に応じた電気特性の変化履歴を有する請求項１５記載の変換器。
17. 前記電気特性は電気抵抗又がインピーダンスであり、該電気抵抗又はインピーダンスは電位を加えることによってモニターされる請求項１６記載の変換器変換器。
18. 前記加えられたエネルギーの形態が機械的相互作用から生じる機械エネルギーである請求項１６記載の変換器。
19. 前記加えられたエネルギーの形態が電磁放射である請求項１６記載の変換器。
20. 前記加えられたエネルギーの形態が素粒子又はイオン化放射の相互作用である請求項１６記載の変換器変換器。
21. 前記加えられたエネルギーの形態が熱エネルギーである請求項１６記載の変換器。

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