KR100436582B1 - 프레스를 이용한 정온계수 조성물의 화학가교 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정온계수 시트의 가교공정에 관한 것으로, 정온계수(PTC) 조성물의 제조공정과, 정온계수 시트(30)를 제조하는 공정과, 상기 정온계수 시트(30)를 가교하는 공정과, 가교된 상기 정온계수 시트(30)를 펀치하는 공정으로 이루어지는 과전류 차단용 정온계수 폴리머 퓨즈를 제조하는 방법에 있어서, 상기 정온계수 시트(30) 가교공정은, 프레스(60)를 이용한 가열공정과 냉각공정을 통하여 상기 정온계수 시트(30)의 양면에 전극성 금속호일을 접착하고 화학가교를 수행하는 공정인 것을 특징으로 한다. 이에 따라 본 발명에서는, PTC 컴파운드와 전극용 금속 호일을 접착하는 동시에 화학가교 공정을 수행하는 프레스 가교공정에 있어서, 냉각공정의 냉각속도 및 시간을 조절함으로써 보다 낮은 상온저항과 보다 높은 인텐서티를 지니는 PTC 조성물의 화학가교 방법이 제공된다.

Description

프레스를 이용한 정온계수 조성물의 화학가교 방법{The chemical crosslinking method of PTC composite using a press}

본 발명은 정온계수(positive temperature coefficient; 이하 PTC라 한다.)시트의 가교공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프레스의 적정 온도 프로파일 구현을 통한 상온저항이 낮고 인텐서티(intensity)가 높은 과전류 차단용의 폴리머 퓨즈와 같은 정온계수 특성을 갖는 시트의 화학가교 방법에 관한 것이다.

PTC 특성을 갖는 고분자 재료의 개발은 이미 오래 전부터 이루어져 왔으며, 정온 전선, 과전류 차단용 전기장치, 배터리, 회로보호 소자, 가열기 등에 적용되고 있다. PTC 특성이라 함은 상온 정도의 낮은 온도에서는 저항이 낮아 전도성을 가지지만, 온도 상승에 따라 비교적 좁은 온도 영역에서 전기 저항이 급증하는 성질을 말한다.

결정성 고분자 수지와 전도성 충진제를 혼합하여 얻은 전도성 고분자 물질은 상온과 같은 낮은 온도에서는 전도성을 가지지만, 수지의 용융점 부근에서는 고분자 결정이 와해되면서 수지 전체의 부피 팽창이 전도성 충진제 간의 이격을 조장하여 저항이 증가하는 PTC 특성을 갖는다.

이러한 물질이 다시 상온 상태로 돌아오게 되면 낮은 상온 저항 상태를 회복하지만, 용융점이 오래 지속되거나 더 높은 온도로 올라가게 되면 전도성 충진제의 브라운 운동 및 반데르 발스 힘에 의한 재응집으로 수지 저항이 감소하는 이른바 부온계수(negative temperature coefficient; 이하 NTC라 한다.) 현상이 발생한다. 이러한 현상은 과전류가 인가된 상태에서 계속 높은 저항을 유지함으로써 과전류를 차단하는 회로 보호용 전기 장치에서는 치명적인 결과를 가져온다.

상기와 같은 NTC 특성을 억제하기 위해서 가교공정이 사용되고 있으며, 가교 방법으로는 화학적 가교방법 및 조사 가교방법이 일반적으로 사용되고 있다(미국특허 No.4,237,441). 조사가교는 전자빔과 같은 조사선을 최종 성형된 전도성 고분자 물질에 조사함으로써 결정성 고분자의 분자간 가교를 유도하여 네트워크 구조를 이루게 하는 방법인데, 이러한 조사가교 방법을 이용한 관련기술을 예로 들면, 대한민국 공개특허공보 제 1998-703168호, 제 1999-78186호, 대한민국 등록특허공보 제 153409호 등이 있다.

이러한 상기 조사가교 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 전도성 고분자 성형물 내의 일정 부분이 일정 시간에 흡수하는 조사량(radiation dose)은 조사원(radiation source)에 노출되는 성형물 표면으로부터의 거리, 조사의 세기, 에너지 및 형태 등에 의존하기 때문에 성형물 내의 가교도를 균일하게 유지하기 위해서는 성형물의 두께는 얇아야 하고 조사원의 에너지는 높아야 하는 제약이 따른다.

둘째, 조사가교 공정은 통상 성형물의 냉각 후 진행되는데 분자의 유동이 없는 상태에서 가교된 후 용융에 의해 다시 유동이 생기게 되면 고분자의 구조 변화와 함께 전도성 충진제로 사용된 카본블랙 입자 등의 이동에 의해 PTC 특성이나 저항값의 재현성이 떨어지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 PTC 컴파운드와 전극용 금속 호일을 접착하는 동시에 화학가교 공정을 수행하는 프레스 가교공정 중 냉각공정의 냉각속도 및 시간을 조절함으로써 보다 낮은 상온저항과 보다 높은 인텐서티를 지니는 PTC 조성물의 화학가교 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 정온계수(PTC) 조성물의 제조공정과, 정온계수 시트(30)를 제조하는 공정과, 상기 정온계수 시트(30)를 가교하는 공정과, 가교된 상기 정온계수 시트(30)를 펀치하는 공정으로 이루어지는 과전류 차단용 정온계수 폴리머 퓨즈를 제조하는 방법에 있어서, 상기 정온계수 시트(30) 가교공정은, 프레스(60)를 이용한 가열공정과 냉각공정을 통하여 상기 정온계수 시트(30)의 양면에 전극성 금속호일을 접착하고 화학가교를 수행하는 공정인 것을 특징으로 하는 프레스를 이용한 정온계수 조성물의 화학가교 방법에 의하여 달성된다.

즉, 상기와 같은 문제점을 고려하여 본 발명에서는 화학가교 공정을 이용하고 있는데, 화학가교 방법은 균일하고 효율적인 가교구조를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에, 전도성 고분자 물질과 가교조제의 혼합과정에서 가교가 진행될 수 있어 혼합공정은 온도상의 제약이 따른다. 이에 따라 프레스 가교 공정의 개선을 통한 낮은 상온저항(1Ωcm 이하)과 높은 인텐서티(intensity; 120℃에서 3000Ωcm이상)를 만족시키는 PTC 제품을 제조하고자 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 발명의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정온계수 조성물의 화학가교 방법에 적용되는 프레스의 개략적인 구성도이다.

도 2는 PTC 컴파운드를 구성하는 고분자 수지의 시간에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10 : 플레이트

20 : 냉각장치(냉각수관)

30 : PTC 시트

40 : 가열장치(히터)

50 : 가압장치

60 : 프레스

이하 본 발명에 따른 프레스를 이용한 정온계수 조성물의 화학가교 방법의 구성에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정온계수 조성물의 화학가교 방법에 적용되는 프레스(60)의 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 프레스(60)에는 2개의 플레이트(10)가 구비되어 있다. 상기 플레이트(10) 사이에는 PTC 시트(30)를 하나 혹은 두개 이상의 복수개를 층으로 쌓아서 상기 프레스(60)를 가압한다.

각각의 상기 플레이트(10)에는 가압장치(50)가 설치되어 압력조절이 가능하며 또한, 상기 플레이트(10)에는 가열장치(40)와 냉각장치(20)가 설치되어 있어서 온도조절이 가능하다. 그리고, 상기 플레이트(10)의 수를 늘려서 다층형태의 프레스(60)로 구성할 수도 있다.

본 발명에 의한 PTC 특성을 갖는 과전류 차단용 폴리머 퓨즈의 제조 방법은 PTC 조성물의 제조 공정과, PTC 시트(30)의 제조 공정과, PTC 시트(30)의 가교 공정과, 펀치 공정으로 이루어진다.

상기 PTC 조성물의 제조 공정은, 결정성 고분자, 접착성 수지, 전도성 충진제, 가교조제 및 산화방지제를 결정성 고분자의 용융점 이상에서 트윈 스크루 압출기로 컴파운딩 압출하여 펠렛(pellet) 형태로 만드는 공정이다.

상기 PTC 시트(30)의 제조 공정은 상기 펠렛을 단일 스크루 압출기로 용융 압출하여 시트 다이를 거쳐 얇은 PTC 시트(30)로 압출하는 공정이다.

상기 PTC 시트(30)의 가교 공정은 본 발명의 핵심 공정으로서, 히터(40)와 냉각수관(20)을 이용하여 적정한 온도 프로파일을 구현할 수 있는 프레스(60)로 상기 PTC 시트(30)를 가압, 가열, 냉각함으로써 상기 PTC 시트(30)의 양면에 전극용금속 호일을 접착하는 동시에 화학가교를 수행하는 공정이다.

상기 가교 공정에서는 금속 호일이 PTC 시트(30)에 잘 접착하도록 하면서 동시에 가교가 진행되도록 하기 위해서는 온도와 시간, 압력을 적절히 조절해야 하는데 이 때 공정 변수는 압력, 온도, 가교시간, 가교속도, 냉각시간, 냉각속도 등이다. 도 2는 PTC 컴파운드를 구성하는 고분자 수지의 시간에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다.

도 2에서, (a)의 경우(냉각속도 : 20℃/min)에는 냉각속도가 너무 빨라서 고분자 수지의 결정화가 제대로 이루어지지 않기 때문에 PTC의 상온저항이 올라가고 인텐서티는 떨어진다.

(b)의 경우(냉각속도 : 1℃/min)에는 냉각속도가 너무 느려서 고분자 수지의 결정화에는 도움이 되지만 가교 후 부온계수(negative temperature coefficient; NTC)현상으로 인해 인텐서티가 떨어지고 생산성 면에서도 불리하다.

바람직한 냉각조건은 고분자 수지의 결정화가 충분히 이루어질 수 있는 냉각속도와 냉각시간을 유지해야 하는데 이는 고분자 수지의 종류 및 함량에 따라 영향을 받을 수 있다. 바람직한 냉각속도는 1 ~ 20 ℃/min 이고, 냉각시간은 PTC 컴파운드를 구성하는 고분자 수지의 최종 온도가 융점 이하가 되도록 유지되는 시간이다.

표 1에서는 각각의 냉각공정 변수에 따른 프레스를 사용한 예를 나타내었다.

냉각조건에 따른 프레스 사용예

냉각온도	냉각수관 밸브	냉각시간	냉각속도
230℃ →75℃	100% 개방	1200sec	7.8℃/min
230℃ →60℃	100% 개방	1800sec	5.7℃/min
230℃ →85℃	75% 개방	1200sec	7.3℃/min
230℃ →70℃	75% 개방	1800sec	5.3℃/min

마지막 단계로서, 상기 펀치 공정은 상기와 같이 가교된 시트를 적당한 크기와 모양으로 펀치하는 공정이다.

상기 언급한 바와 같이 본 발명에 따른 프레스를 이용한 정온계수 조성물의 화학가교 방법에 의하면, 종래의 조사선을 이용한 가교 방식과는 달리 프레스를 이용한 화학가교 공정 중 냉각공정에 있어서, 냉각속도 및 시간조절을 통하여 적정온도 프로파일을 구현함으로써 결정성 고분자 수지의 결정화도를 크게 향상시키고 전도성 충진제로 사용된 카본블랙 입자의 구조를 최적화 할 수 있고, 그 결과 PTC 조성물의 상온저항을 낮추는(1Ωcm 이하) 동시에 인텐서티를 높이는(120℃에서 3000Ωcm이상) 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.

Claims (4)

1. 정온계수(PTC) 조성물의 제조공정과, 정온계수 시트(30)를 제조하는 공정과, 상기 정온계수 시트(30)를 가교하는 공정과, 가교된 상기 정온계수 시트(30)를 펀치하는 공정으로 이루어지는 과전류 차단용 정온계수 폴리머 퓨즈를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 정온계수 시트(30) 가교공정은, 프레스(60)를 이용한 가열공정과 냉각공정을 통하여 상기 정온계수 시트(30)의 양면에 전극성 금속호일을 접착하고 화학가교를 수행하는 공정이고, 상기 냉각공정의 냉각속도는 1 ~ 20 ℃/min 이고, 냉각시간은 PTC 컴파운드를 구성하는 고분자 수지의 최종 온도가 융점 이하가 되는 시간인 것을 특징으로 하는 프레스를 이용한 정온계수 조성물의 화학가교 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 프레스(60)에는 다수개의 플레이트(10)가 구비되어 있으며, 상기 플레이트(10)에는 각각 가열장치(40) 및 냉각장치(20)가 설치되어 있어서 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 프레스를 이용한 정온계수 조성물의 화학가교 방법.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서, 상기 플레이트(10)에는 가압장치(50)가 설치되어 있어서 압력조절이 가능한 것을 특징으로 하는 프레스를 이용한 정온계수 조성물의 화학가교 방법.