KR100353314B1 - 힘감지잉크,이를제조하는방법및개선된힘감지기 - Google Patents

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Abstract

탄소 비함유 힘 감지기(10) 및 이를 제조하는 방법은 350℉ 이하의 온도 및 10,000 psi 이하의 압력에서 작동할 수 있다. 바람직한 잉크(26,46)는 열가소성 폴리이미드 결합제, 전도성 입자, 고유적으로 반전도성인 입자 및 유전 입자를 포함하며, 이들의 평균 입자 크기는 모두 1.0 μ 이하이다. 바람직한 반전도성 입자는 이황화몰리브덴, 산화제이철 및 산화제일철 입자이다. 바람직한 전도성 입자는 산소가 2를 기본으로 하는 화학량론으로부터 벗어나는 전도성 금속 산화물 화합물(예: 전도성 산화주석, Fe3O4산화철, 및 이들의 혼합물)이다. 바람직한 유전 입자는 실리카이다. 결합제는 20 내지 80체적%의 양으로 존재한다. 잉크(26,46)는 전극(22,42), 전도체 관(24,44) 및 접속부(28,48)를 포함하는 가요성 샌드위치 필름(20,40)상에 위치한다.

Description

힘 감지 잉크, 이를 제조하는 방법 및 개선된 힘 감지기{FORCE SENSING INK, METHOD OF MAKING SAME AND IMPROVED FORCE SENSOR}
최근 얼마동안 한 쌍의 표면 사이에 적용된 힘을 나타내는 힘 감지기를 제조하기 위해 다양한 기술들이 사용되어 왔다. 이러한 기술들은 적용된 하중에 반응하는 표면들 사이에 배치된 반전도성 물질들의 박층을 사용하는데, 이는 전도체 및 관련된 회로가 적절히 제공될 때 적용된 하중을 나타내는 디스플레이를 용이하게 한다.
이러한 특징중 일부를 사용하는 제품의 초기 버전은 미국 특허 제 3,806,471 호 및 제 4,489,302 호에 개시된 바를 포함한다. 이러한 제품의 통상의 특징은, 하중을 적용함으로써 응력을 받으면 전도성이 증가하게 될 반도체 물질의 몸체를 사용한다는 것이다. 적용된 하중의 함수로서 증가하기 쉬운 전도성의 증가는 어느 정도까지는 적용된 하중의 함수로서 변화하는 측정가능한 결과를 제공하는데 사용될 수 있다. 반도체 물질을 사용하고 이러한 원칙을 기초로 하는 힘 감지 시스템은 또한 미국 특허 제 4,856,993 호에 나타나 있다.
일반적으로 힘 감지기에 사용된 반도체 층은 효율을 위해 충분히 전기적으로 전도성이라는 일정한 특성을 가져야 한다. 따라서 이러한 층은 하중하에 전도를허용하기 위해 서로 충분히 밀접한 전기적으로 전도성인 영역을 가져야 한다. 하중하에 전도성 영역은 서로 접촉하거나, 전자가 하나의 전도성 영역으로부터 다음 영역으로 유동할 수 있을 정도로 영역들 사이의 거리가 작아야 한다. 전도성 영역의 집중도는 층을 통해 전도성 경로를 제공하기에 충분히 커야 한다. 층을 통한 전도성은 적용된 하중의 범위 사이에 구별할 수 있도록 상이한 저항(또는 전도도)의 신뢰할 수 있고 일관된 범위를 제공할 만큼 하중하에서 충분해야 한다. 일반적으로 하중의 적용은 층이 전자 이동을 허용하는 능력을 증가시킨다. 또한, 전도성 변화는 층과 이러한 층의 피복된 표면이 하중이 적용됨에 따라 변화하는 층의 특성을 복원시킬 정도까지 가역적이어야 한다. 감압성, 하중 반응 특성은 층의 표면에 또는 그의 내부에 또는 둘다에 존재할 것이다.
다양한 고유적으로 반전도성인 물질이 이러한 유형의 힘 감지기를 제공하는데 사용되어 왔다. 이러한 물질은 여러 가지 중에서도 미립상의 이황화몰리브덴, 산화제일철 및 산화제이철을 포함한다. 이러한 물질은 상기 인용된 특허 이외에 미국 특허 제 5,296,837 호에 개시되어 있다.
힘 감지 변환기를 제조하기 위해서는 반도체 시스템의 사용 이외에, 미립상의 전도성 물질이 또한 사용되어 왔다[참조: 미국 특허 제 5,302,936 호]. 이러한 특허 및 미국 특허 제 5,296,837 호 모두는 힘 감지 잉크 중에 전도성 물질로서 탄소를 사용하는 것을 개시하고 있다. 후자의 특허에서는 반전도성 물질로서 산화주석을 탄소와 함께 배합하여 사용하고 있다.
최근에는, 상기 언급한 선행기술에서 보다시피, 반전도성 감압성 변환기를반전도성 물질을 분사에 의해 또는 실크 스크린 공정에 의해 침착된 "잉크"의 형태로서 침착시켜 한 쌍의 전극 사이에 박층 또는 박층들을 형성하여 제조하였다. 일반적으로, 전극은 얇은 가요성 플라스틱 시이트상에 배치되고 적용된 전류가 감지되고 측정될 수 있는 원거리 영역까지 유도된다. 이러한 감지기에서, 전극 및 건조된 잉크 잔류물은 힘 변환기로서 작용하는 샌드위치 모양을 형성하고, 이는 다양한 저항(또는 전도도)을 제공할 것이고 예정된 방식으로 적용된 하중과 관계된다.
선행 기술은 또한 반전도성 입자 및 전도성 입자의 혼합물을 사용하여 가변적 전도성 힘 변환기를 제공하는 것에 대해 교시하고 있다. 특히, 선행 기술은 반도체로서 흑연 또는 미분된 전도성 탄소(예: 아세틸렌 블랙)와 혼합된 이황화몰리브덴을 사용하는 것에 대해 교시하고 있다. 이러한 물질을 기제로 하는 잉크의 전도성은 흔히 고전도성 잉크를 저전도성 잉크와 혼합함으로써 전도성 입자와 반전도성 입자의 농도 또는 비율에 의해 변화시킬 수 있다. 폴리에스테르는 침착된 물질의 건식 층이 배치되는 기재에 이러한 잉크중의 입자를 결합시키기 위해 자주 사용되는 결합제이다. 건식 층의 저항은 하중에 따라 변화하고, 따라서 이러한 잉크는 감압성(pressure-sensitive) 또는 감력성(force-sensitive)이라고도 지칭된다.
이러한 선행 기술은 많은 결점을 가진다. 예를 들면, 통상적인 결합제(예: 폴리에스테르 결합제)는 유용한 적용 온도를 120℉ 이하에서 약 150℉ 이하의 범위로 제한한다. 상기 온도 이상에서, 마주치게 되는 반도체층 중의 결합제는 서로에게 결합하기 쉽다. 또한, 저항성 잉크 중에서 안료로서 사용될 때 전도성 카본 블랙은 균일하게 분사시키기가 어렵고 분산후에 응집하기 쉽다. 또한 그의 표면 반응성 및 흡착성은 가공 변수 및 열원에 많이 의존한다. 또한, 건조된 잉크 필름중의 흑연판 배향은 감지기마다 재현되기가 어렵다. 이러한 인자들은 이러한 잉크의 전도성에 매우 큰 변화가능성을 부여함으로써 제품 자체내에서 및 각 제품들 사이에 허용할 수 없고 바람직하지 않은 변이를 야기시킨다.
이황화몰리브덴은 온도가 증가함에 따라 더욱 전도성이 되기 때문에, 전도성 경로를 제공하기 위해 이황화몰리브덴 및 전도성 카본 블랙을 사용하면 직면하게 될 기대되는 온도조건에 맞게 잉크의 전도성을 조절하기 위하여 이들의 비율 또는 농도를 변화시킬 필요가 있다. 이황화몰리브덴의 온도 변화에 대한 감도 때문에, 이황화몰리브덴의 농도만으로 전도성을 조절하면 온도의 보완이 어렵다.
힘 감지기가 사용되는 현재 온도 이외에 적어도 120℉에서 150℉ 내지 약 350℉의 온도와 같이 상승된 온도에서도 효율적으로 작용하는 추가의 능력뿐만 아니라 개선된 감력성, 신뢰성 및 재현성을 갖는 힘 변환기를 제공하는 것이 바람직하며, 이와 동시에 적용된 하중을 신뢰할 수 있도록 일관적으로 나타내는 것이 바람직할 것이다.
발명의 요약
본 발명에 따라, 개선된 고온, 탄소 비함유 힘 감지 잉크, 이의 제조방법 및 이로부터 생성되는 힘 감지기가 제공된다. 본 발명에 따른 고온, 탄소 비함유 힘 감지 잉크는 한 쌍의 전도체 사이에 있는 박층에 침착되도록 적용되고, 각각의 전도체는 지지 표면상에 배치되고, 박층은 이에 적용된 힘의 함수로서 변화하는 저항을 가지며, 박층은 150 내지 350℉의 온도에서 힘 감지 용도에 사용될 수 있고, 여기서 잉크는 고온 결합제, 고유적으로 반전도성인 입자 및 전도성 입자를 포함하고, 전도성 입자는 특히 산소가 2를 기본으로 하는 화학량론으로부터 벗어나는 전도성 금속 산화물 화합물을 포함한다. 바람직하게는 전도성 산화물 입자는 전도성 산화주석 입자, Fe3O4산화철 입자 또는 이들의 혼합물이다.
힘 감지 잉크는 유전 입자(예: 10 μ 이하의 입자 크기를 갖는 실리카)를 포함한다. 반전도성 입자는 바람직하게는 이황화몰리브덴 입자이다. 잉크중의 입자의 입자 크기는 10 μ 이하가 바람직하고(가장 바람직하게는 평균 크기 약 1 μ 이하이다), 고온 결합제는 열가소성 폴리이미드 수지이다. 바람직한 형태로, 전도성 및 반전도성 입자는 박층에 침착될 때 건조된 잉크의 20체적% 이상 내지 80체적%의 혼합된 농도로 존재하고, 결합제는 20 내지 80체적%의 혼합된 양으로 존재한다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 있어서, 탄소 비함유, 감압성, 힘 감지 잉크 층의 온도 및 압력 반응성을 조절하는 방법이 제공된다. 이는 15 내지 65체적부의 반전도성 입자 대 55 내지 5체적부의 전도성 입자의 비율로 고유적으로 반전도성인 입자와 전도성 입자의 제 1 혼합물을 제공하는 단계(여기서, 나머지는 내열성 결합제이다); 15 내지 65체적부의 반전도성 입자 대 55 내지 5체적부의 유전 입자의 비율로 고유적으로 반전도성인 입자와 유전 입자의 제 2 혼합물을 제공하는 단계(여기서, 나머지는 내열성 결합제이다); 동일한 체적량의 반도체 입자를 갖는 상기 제 1 혼합물과 제 2 혼합물의 양을 혼합하여 제 1 혼합물 4 내지 96%와 제 2 혼합물 96 내지 4%의 비율로 힘 감지 미립자를 생성함으로써 힘 감지기 중에 침착시켜 사용하기 위한 잉크를 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 반도체 입자는 이황화몰리브덴 입자이고 반전도성 및 전도체성 입자는 평균 크기가 1.0 μ 이하이다. 바람직하게는 결합제는 열가소성 폴리이미드 결합제이고 박층에 침착될 때 전도성 및 반전도성 입자는 건조된 잉크의 20체적% 이상 80%체적% 미만으로 존재한다. 가장 바람직한 형태에서, 결합제는 20 내지 80체적%의 혼합된 양으로 존재하고 전도성 및 반전도성 입자는 80 내지 20체적%의 혼합된 양으로 존재한다.
본 발명의 생성된 감압성 힘 감지기는 얇은 가요성 필름, 상기 필름상의 제 1 전극, 상기 전극상에 침착된 탄소 비함유 감압성 저항 물질을 포함하고; 이때 상기 물질은 내열성 결합제, 고유적으로 반전도성인 입자 및 전도성 입자를 포함하고; 상기 전도성 입자는 가장 바람직한 형태로, 전도성 산화주석, Fe3O4산화제일철 또는 이들의 혼합물을 포함하고; 전도성 및 반전도성 입자는 물질의 20 내지 80체적%의 양으로 존재하고; 상기 감압성 저항 물질이 전극들 사이에서 압착되어 이를 통하는 전류가 적용된 힘의 함수로서 변화될 수 있도록 제 2 전극이 상기 물질에 의해 제 1 전극으로부터 이격되어 있다.
바람직하게는 물질은 또한 유전 입자를 추가로 포함하는데, 반전도성 입자는 이황화몰리브덴 입자이고, 반전도성 입자 및 전도성 입자는 평균 크기가 1.0 μ 이하이다. 바람직하게는 결합제는 열가소성 폴리이미드 결합제이다. 가장 바람직한 형태에서, 박층에 침착될 때 결합제는 20 내지 80체적%의 혼합된 양으로 존재하고전도성 및 반전도성 입자는 80 내지 20체적%의 혼합된 양으로 존재한다.
본 발명의 추가의 목적, 특징 및 장점은 하기 내용 및 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 감지기를 제공하기 위한 조립가능한 한 쌍의 감지기 소자의 평면도이다.
도 2는 도 1의 소자로부터 조립된 감지기의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 힘 감지기의 하중 감지 특성을 설명하는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 추가의 힘 감지기의 하중 감지 특성을 설명하는 그래프이다.
본 발명에 따르면, 침착되었을 때, 통상적인 온도에서 뿐만 아니라 약 120에서 150℉ 내지 350℉의 온도에서도 안정하고 사용가능하고, 350℉에서 10,000psi만큼의 힘에 대해, 심지어는 반복된 하중 또는 상승된 온도에서의 연장된 노출과 하중 후에도 반응을 신뢰할 수 있게 재현해주는 고유적으로 반전도성인 층을 생성하는 잉크가 제조된다.
본 발명의 잉크를 사용하는 고온 저항 힘 감지기가 도 1 및 도 2에 설명되어있다. 본원에서 보다시피, 버튼 감지기(10)는 투명할 수 있는 한 쌍의 얇고 가요성인 필름(20,40)을 포함한다. 필름(20,40)은 분리될 수 있거나 또는 샌드위치 배열로 절첩되어 감지기(10)를 형성하도록 적용된 동일한 시이트일 수 있다. 폴리에스테르 또는 폴리이미드 필름이 바람직하다. 이러한 필름은 ICI 폴리에스테르 필름 및 듀퐁 캡톤(DuPont Kapton) 폴리이미드 필름일 수 있다. ICI 폴리에스테르 필름은 미국 델라웨어주 19897 윌밍톤 뉴 머피 로드 콘코드 파이크 소재의 ICI 아메리카스 인코포레이티드(ICI Americas Inc.)로부터 시판중이다. 필름(20,40)은 각각 전극(22,42)을 갖추고 있고, 이들은 각각 전도체(24,44) 및 접속부(28,48)에 전기적으로 연결된다. 전극, 전도체 및 접속부는 전도성 은 잉크를 공지된 방법으로 실크 스크린하거나 구리층을 니켈의 상도제로 스퍼터(sputter) 피복하여 침착시킬 수 있다(예: 총 두께 2400Å). 전도체를 당해 기술분야에 공지된 방법으로 전기 회로에 연결하여 사용시에 감지기(10)를 통해 전류가 측정될 수 있도록 할 수 있다. 전극은 임의의 목적하는 모양일 수 있다. 이 경우 원형인 것으로 표현된다. 각각은 0.5 in의 직경을 가진다.
전극의 각각을 직경 9/16 in의 탄소 비함유 감압성 저항 물질 층(26,46)(이는 그 위에 침착된 잉크의 무수 잔류물이다)으로 덮는다. 이러한 잉크는 실크 스크린, 분사 또는 다른 공지된 응용 기술을 통해 침착될 수 있다. 바람직한 형태에서, 이러한 물질은 내열성 결합제, 반전도성 입자(예: 이황화몰리브덴 또는 산화제이철 입자 또는 산화제일철 입자), 및 화학량론에서 벗어나는 전도성 금속 산화물화합물(예: 산화주석 및 산화안티몬, Fe3O4산화철 또는 이들의 혼합물의 반응 생성물)을 포함하는 전도성 입자를 포함한다. 층은 바람직하게는 전극(22,42)의 각각에서 전극의 영역보다 약간 큰 직경으로 형성되어, 감지기 샌드위치 모양이 필름(20,40)으로부터 형성될 때 서로 접촉하는 감압 저항성 물질의 두 개의 박층이 존재하고, 이러한 층이 전극을 전반적으로 덮어서 목적하는 접촉 영역이 감지기 전체에 걸쳐 균일하도록 한다.
바람직한 형태에서, 박막 감지기(10)의 두께는 감지 영역에서 약 2.5 내지 약 3.5 mil이다. 필름(20,40)은 각각 약 1 mil 두께이고, 전극(22,42)은 각각 약 0.2 내지 0.3 mil 두께이고, 각각의 건식 저항성 잉크 층은 약 0.3 내지 약 0.5 mil 두께이다. 당해 기술분야의 숙련인들에 의해 잘 이해되는 바와 같이, 임의의 용도 및 특정 용도에 적절한 다른 인자에 따라 다른 두께의 감지기(10)의 소자가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시의 한가지 바람직한 형태에서, 한 쌍의 전도체 사이의 박층에 침착되도록 적용되는 고온, 탄소 비함유 힘 감지 잉크를 하기와 같이 제조하였다.
실시예 Ⅰ
우선, 20% 열가소성 폴리이미드 수지 용액을, 폴리이미드를 아세토페논중에 용해시켜 제조하였다. 사용된 특정 폴리이미드는 뉴욕주 10532 호토른 쓰리 스카이라인 드라이브 소재의 시바 가이기 코포레이션(Ciba-Geigy Corporation)으로부터 시판중인 마트리미드(Matrimide) 5218이었다. 마트리미드 5218은 5(6)-아미노-1-(4' 아미노페닐)-1,3-트리메틸인단을 기본으로 하는 완전히 이미드화된 가용성 열가소성 수지이다. 이러한 용액 30 g에, 이황화몰리브덴(공업용) 10.6 g 및 산화주석과 산화안티몬의 반응 생성물 2.6 g(종종 전도성 산화주석이라고도 불림)을 첨가하였다. 사용된 반응 생성물은 0.4 μ의 평균 입자 크기를 갖고 뉴저지주 08822 플레밍톤 포인트 브리즈 로드 500 소재의 마그네슘 엘렉트론 인코포레이티드(Electron Magnesium Inc.)에서 CP40W라는 상표명으로 시판중이다. 반응 물질은 주로 즉 90 내지 99%가 산화주석(SnO2)이고, 산화안티몬(Sb2O3)이 소량, 즉 1 내지 10%로 존재한다. 반전도성 이황화몰리브덴 및 전도성 산화주석 반응 생성물 입자는 각각 0.7 및 0.4 μ의 평균 입자 크기를 갖는다.
폴리이미드 용액 및 첨가된 입자를 고속 실험실용 혼합기에서 10분 동안 혼합하였다. 이어서 생성된 잉크를 두 개의 원형 전도체(약 1/2 in 직경) 각각으로 통상적인 방법으로 실크 스크린한 후 15분 동안 275℉에서 건조시켰으며, 이때 아세토페논은 완전히 날아갔다. 2개의 층의 감압성 저항 물질을 통상적인 방법으로 마주보고 접촉하도록 놓고, 이렇게 형성된 감지기를 한 쌍의 표면 사이에 위치시키고 하중하에 놓았다. 하중하의 시험 결과가 도 3에 나타나 있으며, 여기서는 250℉ 및 350℉의 온도에 대해, 지시된 하중하의 저항(Kohm 단위)을 설명한다.
실시예 Ⅱ
본 발명의 실시의 또 다른 예로서, 20% 마트리미드 폴리이미드 수지 용액을 상기 기술한 바와 같이 제조하였다. 이러한 용액 30 g에 이황화몰리브덴 10.6 g 및 전도성 산화철(Fe3O4로서) 2.6 g을 첨가하였다. 혼합한 후, 실시예 Ⅰ에서 기술한 방법으로 침착시키고 건조시키고 반전도성 층을 병렬시킨 후, 이렇게 형성된 감지기를 한 쌍의 표면 사이에 위치시키고 하중하에 놓았다. 하중하의 시험 결과는 도 4에 나타나 있으며, 여기서는 250℉ 및 350℉의 온도에 대해, 지시된 하중하의 저항(Kohm 단위)을 설명한다.
250℉ 및 350℉의 온도 및 200 내지 3000 psi의 하중에서의 도 3 및 도 4의 각각으로부터 알 수 있듯이, 제조된 감지기는 이러한 감지기가 노출되는 하중을 만족스럽게 구별할 것이다.
실시예 Ⅲ
힘 감지 잉크의 그 밖의 탄소를 함유하지 않는 제제를 본 발명에 따라 제조하였다. 각각은 상승된 온도에서 우수한 감압 감지 특성을 가지는 것으로 밝혀졌다. 이러한 제제는 혼합물 A 및 B의 잔기를 혼합함으로서 생성되었다. 각 잔기에서 사용된 용매는 잉크가 침착된 후 완전하게 증발되는 아세토페논이었다. 따라서 이러한 제제는 건식 층의 조성물을 기본으로 한다.
혼합물 A는 하기 표 1과 같이 이루어진다:
양 중량% 체적%
이황화몰리브덴(공업용) 85 g 53.08 27.71
전도성 산화주석 25 g 15.64 5.71
마트리미드 5218 50 g 31.28 66.58
100.00 100.00
일반적인 혼합물 A는 용매로서 아세토페논 260 g을 사용한다.
혼합물 B는 하기 표 2와 같이 이루어진다:
양 중량% 체적%
이황화몰리브덴(공업용) 60 g 45.12 19.56
미뉴실(Minusil) 5 25 g 17.29 13.86
마트리미드 5218 50 g 37.59 66.58
100.00 100.00
일반적인 혼합물 B는 용매로서 아세토페논 260 g을 사용할 것이다. 미뉴실 5는 미국 버지니아주 25111 버크슬리 스프링스 피 오 박스 187 소재의 유. 에스. 실리카(U.S. Silica)로부터 시판중인 결정성 실리카(SiO2)이다.
혼합물 A 및 혼합물 B의 특정 비율로 이루어진 혼합물을 포함하는 탄소 비함유 제제를 표 3에 설명한 바와 같이 제조하였다. 각각은 우수한 감압성 감지 특성을 가지는 것으로 밝혀졌다.
체적량*
혼합물 A 20 mL 30 mL 40 mL 50 mL 55 mL 57.5 mL
혼합물 B 40 mL 30 mL 20 mL 10 mL 5 mL 2.5 mL
합계 60 mL 60 mL 60 mL 60 mL 60 mL 60.0 mL
*표 3의 모든 제제는 동등한 체적 비율의 미립상의 물질 대 마트리미드 5218을 가진다.
혼합물 A 대 혼합물 B의 비가 증가함에 따라, 잉크 층은 더욱 전도성이고, 이는 층이 더 많은 전도성 및 반전도성인 입자를 함유하기 때문인 것으로 이해된다.
본 발명의 힘 감지 잉크 시스템은 350℉ 이하의 온도에서 10,000 psi 이상까지의 힘을 감지할 수 있다. 고온 결합제, 반전도성 입자 및 전도성 입자의 기본적인 제형은 지시된 바와 같이 유전성 미립상 물질(예: 실리카)을 혼입하여 비를 변화시켜 보충하거나 개질함으로써, 특히 하중 감지 응용분야에서의 예상되는 작동 온도에서의 주어진 범위의 예상되는 하중에 대한 감지기의 반응성 및 민감성을 최적화할 수 있다. 유전성 미립자는 잉크의 전도성을 다소 감소시키는 경향은 있지만, 잉크 층 저항의 균일성 및 반복가능성을 개선시키는 경향도 있다.
본 발명에 따른 바람직한 조성물은 통상적으로 하기 성분의 체적비에 상응한다. 모든 성분의 합계는 1이다.
체적%
고온 결합제 20 내지 80
반전도성 입자 15 내지 50
전도성 입자 5 내지 50
유전성 입자 4 내지 50
바람직한 조성물에서 혼합물 A는 15 내지 65체적부의 반전도성 입자와 55 내지 5체적부의 전도성 입자를 함유하고 혼합물 B는 15 내지 65체적부의 반전도성 입자와 55 내지 5체적부의 유전성 입자의 비를 함유하며, 나머지는 내열성 결합제이다. 혼합물 A와 B의 혼합물은 통상적으로, 함유된 미립자 4 내지 96체적부 내지 96 내지 4체적부의 비율이다.
전도성 입자 및 반전도성 입자의 총 농도는 건조된 잉크 층의 20체적% 이상이어야 한다. 이는 건조된 잉크 필름이 전도성이기 때문이며, 충분한 반전도성 또는 전도성 입자(또는 모두)가 있어야 하고 서로 충분히 가까워서 전기 전도성을 허용하고 층을 통해 전도성 경로를 수득해야 한다. 주어진 입자 크기 또는 분포에 있어서, 단위 체적당 입자의 수는 직접적으로 잉크중의 전도성 경로의 수와 직접 관련된다. 미립자의 상한은 약 80체적%이고 이는 건조된 잉크 층의 요구되는 접착성 및 가요성에 의존할 것이다. 건조된 잉크 층의 두께는 감지기가 사용되는 환경, 및 요구되는 가요성 및 접착성 인자에 의해 부분적으로 지시될 것이다.
전도성 입자, 반전도성 입자 및 유전성 입자의 중간(median) 입자 크기는 평균 크기로 10 μ 미만, 바람직하게는 1.0 μ 이하이어야 한다. 가능하다면, 선행 내용으로부터 알 수 있듯이, 구성체의 입자 크기는 크기가 평균 1.0 μ 이하이어야 한다.
공지된 바와 같이, 대부분의 전도성이고 반전도성인 물질은 온도가 증가함에 따라 더욱 전도성이 된다. 선형으로 변화하지는 않는다. 어느 것도 저항 변화 계수는 온도에 따라 일정하지 않다. 실제로, 저항 대 온도 또는 압력의 곡선은 포물선이다. 이들 모두로 인해 온도가 증가함에 따라 감압성 힘 감지층이 덜 명확하고 덜 저항성이 되는 이유가 명백해진다.
본 발명에 따라 블렌딩하고 혼합하고 균형을 맞춤으로써, 현재 시판중인 시스템 및 잉크에 사용되는 것과 비교시 넓은 범위 및 좁은 범위 둘 모두에서, 특히 고온 및 고압에서 더 큰 민감성 및 재현가능성이 수득될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 잉크의 신뢰도를 확인하기 위해 시험을 수행하였다.이를 위해 아세토페논중의 마트리미드 5218의 16% 용액을 제조하고 공업용 이황화몰리브덴 23.5 g(0.7 μ), 전도성 산화주석 4 g(0.4 μ) 및 분쇄된 실리카 4 g(1.0 μ)와 함께 실험실용 혼합기안에서 고속으로 혼합하여 잉크를 제조하였다. 상기 기술한 바와 같은 버튼 감지기를 280 메시 스크린을 사용하여 잉크의 실크 스크린 침착에 의해 제조하였다.
지시된 혼합 프로토콜을 사용하여, 3000 psi(350℉)에서 저항(Kohm)을 표 5에 지시된 바와 같이 수득하였다.
혼합 프로토콜 감지기 1 감지기 2 감지기 3
고속 혼합-15분 3.37 3.80 3.55
고속 혼합-15분, 이어서 24시간 동안 노화시키고 약수저를 사용하여 수동으로 혼합함 4.05 3.78 3.90
고속 혼합-15분, 이어서 6달 동안 노화시키고 약수저를 사용하여 수동으로 혼합함 3.78 3.65 ----
이어서 전도성 안료로서 카본 블랙을 사용하여 시험을 수행하였다. 이러한 시험의 결과는 본 발명의 잉크가 품질 및 신뢰도면에서 전도성 카본 블랙을 사용하여 제조된 것보다 월등한 감지기를 제조한다는 것을 나타내었다. 또한, 카본 블랙 시험으로 카본 블랙이 액체 담체 속으로 혼합되고 그의 최종 입자 크기로 분리되고 분산되는 것이 매우 힘들다는 것을 확인한다.
이를 위해 마트리미드 5218을 아세토페논중에 첨가하여 제조된 20% 용액을 공업용 반전도성 이황화몰리브덴(0.7 μ 최대 입자크기) 13.2 g 및 전도성 카본 블랙[미국 텍사스주 77253 휴스톤 피 오 박스 3788 소재의 쉐브론 케미칼캄파니(Chevron Chemical Co.)로부터 시판중이다] 4.32 g과 함께 혼합하였다. 상기 기술한 바와 같은 버튼 감지기를 280 메시 스크린을 사용하여 잉크의 실크 스크린 침착에 의해 제조하였다. 잉크를 275℉에서 15분 동안 건조시켰다.
지시된 혼합 프로토콜을 사용하여, 3000 psi(350℉)에서 저항(Kohm)을 수득하였으며, 하기 표 6에 지시한 바와 같다.
혼합 프로토콜 감지기 1 감지기 2 감지기 3
고속 혼합-15분 0.41 4.2 20.9
고속 혼합-30분 3.75 5.1 5.23
고속 혼합-60분 3.92 4.15 3.75
고속 혼합-60분, 이어서 1주일 동안 노화시키고 넓은 목재 스틱을 사용하여 혼합하였다. 1.09 4.08 12.0
1주일동안 노화된 잘 혼합된 물질의 최종 시험은, 안료가 가라앉아 응집하였음을 나타내는데 이는 전도성 카본 블랙계 잉크의 경우 전형적인 현상이다. 이러한 데이타 뿐만 아니라 카본 블랙을 혼입한 잘 혼합되고 신속하게 도포되는 잉크의 시험 결과는, 피복된 카본 블랙계 잉크의 결과의 신뢰도 및 재현성이 너무 가변적이고 불안정하여 이러한 잉크가 힘 감지기중에 사용하기에 적합하지 않다는 것을 나타낸다.
선행 내용으로부터 당해 기술분야의 숙련인들은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 변형이 가능하다는 것을 잘 알 것이다. 이와 같이 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (17)

  1. 한 쌍의 전도체 사이에 있는 박층에 침착되고; 이때
    상기 각각의 전도체는 지지 표면상에 배치되고,
    상기 박층은 여기에 적용된 힘의 함수로서 변화하는 저항을 가지고, 150 내지 350℉의 온도에서 힘 감지 용도에서 사용할 수 있으며, 고온 결합제, 고유적으로 반전도성인 입자 및 전도성 입자(이는 산소가 2를 기본으로 하는 화학량론으로부터 벗어난 전도성 금속 산화물 화합물을 포함한다)를 포함하는
    탄소 비함유 힘 감지 잉크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 입자가 전도성 산화주석 입자, Fe3O4산화철 입자 및 이들의 혼합물중 하나를 포함하는 탄소 비함유 힘 감지 잉크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    유전성 입자를 추가로 포함하는 탄소 비함유 힘 감지 잉크.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유전성 입자가 10 μ 이하의 평균 입자 크기를 갖는 실리카인 탄소 비함유 힘감지 잉크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반전도성 입자가 이황화몰리브덴 입자인 탄소 비함유 힘 감지 잉크.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자의 평균 입자 크기가 10 μ 이하인 탄소 비함유 힘 감지 잉크.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 결합제가 열가소성 폴리이미드 수지인 탄소 비함유 힘 감지 잉크.
  8. 제 1 항에 있어서,
    박층에 침착되었을 때, 상기 전도성 입자 및 반전도성 입자가 건조된 잉크의 20체적% 이상의 혼합된 농도로 존재하는 탄소 비함유 힘 감지 잉크.
  9. 제 8 항에 있어서,
    박층에 침착되었을 때, 결합제가 20 내지 80체적%의 양으로 존재하고, 상기 전도성 입자 및 반전도성 입자가 80 내지 20체적%의 혼합된 양으로 존재하는 탄소 비함유 힘 감지 잉크.
  10. 얇은 가요성 필름,
    상기 필름상의 제 1 전극,
    상기 전극상에 침착된 탄소 비함유 감압성 저항 물질을 포함하고; 이때
    상기 물질은 내열성 결합제, 고유적으로 반전도성인 입자 및 전도성 입자를 포함하고,
    상기 전도성 입자는 산소가 2를 기본으로 하는 화학량론으로부터 벗어난 전도성 금속 산화물 화합물을 포함하고,
    상기 반전도성 입자는 상기 물질의 20 내지 80체적%의 양으로 존재하고,
    상기 감압성 저항 물질이 전극들 사이에서 압착되어 이를 통하는 전류가 적용된 힘의 함수로서 변화될 수 있도록 제 2 전극이 상기 물질에 의해 제 1 전극으로부터 이격되어 있는
    감압성 힘 감지기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전도성 입자가 전도성 산화주석, Fe3O4산화철 및 이들의 혼합물중 하나를 포함하는 힘 감지기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 물질이 유전성 입자를 추가로 포함하는 힘 감지기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 반전도성 입자가 이황화몰리브덴 입자인 힘 감지기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 반전도성 입자 및 전도성 입자의 평균 크기가 1.0 μ 이하인 힘 감지기.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 결합제가 열가소성 폴리이미드 결합제인 힘 감지기.
  16. 제 10 항에 있어서,
    박층에 침착되었을 때, 상기 전도성 입자 및 반전도성 입자가 잉크의 20체적% 이상 80체적% 미만의 양으로 존재하는 힘 감지기.
  17. 제 10 항에 있어서,
    박층에 침착되었을 때, 결합제가 20 내지 80체적%의 양으로 존재하고, 전도성 입자 및 반전도성 입자가 80 내지 20체적%의 혼합된 양으로 존재하는 힘 감지기.
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