KR101172945B1 - 다층 평면 구조물을 지니는 절연 테이프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가장 얇은 치수에서 0.01 내지 0.05mm의 평균 크기 범위를 지니는 운모 소박편(22); 가장 긴 치수에서 10 내지 1,000nm의 평균 크기 범위를 지니는 육방정 질화붕소(26); 및 수지 매트릭스로 제조되는 전기 절연 페이퍼를 제공한다. 운모 소박편과 육방정 질화붕소가 혼합되고 페이퍼(17)로 형성되고, 수지가 형성 후에 페이퍼에 첨가되고, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비가, 조정 인자 내에서, 운모 소박편의 평균 크기에 비교한 육방정 질화붕소의 평균 크기에 직접적으로 비례한다.

Description

다층 평면 구조물을 지니는 절연 테이프{INSULATING TAPE HAVING A MULTI-LAYERED PLATELET STRUCTURE}
관련출원에 대한 참조
본 출원은 스미쓰(Smith) 등에 의해서 2005년 4월 15일자로 출원된 발명의 명칭 "높은 열전도성 재료를 지니는 절연 페이퍼(Insulation Paper with High Thermal Conductivity Materials)"의 미국출원 제11/106,846호의 일부 계속 출원이며, 본원에서는 상기 출원을 참조로 통합한다.
발명의 분야
본 발명은 호스트 수지 매트릭스 내의 충전제와 이들 사이의 상호작용에 관한 것이다.
전기 제품의 사용과 관련하여, 도체를 전기적으로 절연시켜야 할 필요가 있다. 전기 및 전자 시스템의 크기를 지속적으로 감소시키고 이들을 단순화시켜야 하는 압박으로 인해서, 그에 상응되게 보다 우수하고 보다 소형화된 절연체 및 절연 시스템을 발명해야 필요가 있다.
표면에 쉽게 부착될 수 있는 강하고 가요성인 전기 절연 재료의 실용적 이점 때문에, 다양한 에폭시 수지 재료가 전기 절연 시스템에 광범위하게 사용되어 왔 다. 운모 소박편 및 유리 섬유와 같은 전통적인 전기 절연 재료는 이러한 에폭시 수지로 표면 코팅되고 접합되어 기계적 강도, 화학적 내성 및 전기적 절연 특성이 증가된 복합 재료를 생산할 수 있다. 많은 경우에, 에폭시 수지가 전통적인 바니쉬(varnish)를 대체하였지만, 일부 높은 전압 설비에서는 이러한 재료를 계속적으로 사용해야 한다.
이러한 특성으로 인해, 우수한 전기 절연체가 본래 우수한 단열재인 경향이 있으며, 이것은 바람직하지 않다. 특히 공냉식 전기 설비 및 부품에 대한 단열 거동은 대체적으로 설비 뿐만 아니라 부품의 효율 및 내구성을 저하시킨다. 최대 전기 절연 특징 및 최소 단열 특징을 지닌 전기 절연 시스템의 생산이 요망된다.
전기 절연체는 흔히 그 자체로 여러 층을 지닌 절연 테이프의 형태로 나타난다. 이러한 타입의 테이프에 공통적인 것은 섬유층에 대한 계면에서 접합되는 페이퍼층이며, 두 층은 모두 수지에 함침되는 경향이 있다. 절연 재료의 유리한 형태가 운모-테이프(mica-tape)이다. 개선된 운모 테이프는 미국 특허 제 6,103,882호에 교시되어 있는 촉매화된 운모 테이프를 포함한다. 이러한 운모 테이프는 전도체에 감겨져 있어 매우 우수한 전기 절연성을 제공할 수 있다. 이러한 예가 도 1에 도시된다. 도 1에는, 도시된 예에서 베이클라이즈드 코일(bakelized coil)로 조립되는 다수의 전도체 턴(turn)(14)을 포함하는 코일(13)이 도시되어 있다. 턴 절연체(15)는 예를 들어 유리 또는 열처리된 유리 및 다크론(Dacron)과 같은 섬유 재료로부터 제조된다. 코일에 대한 대지 절연(ground insulation)은 베이클라이즈드 코일(14)에 하나 이상의 복합 운모 테이프층(16)을 랩핑함으로써 제공된다. 이 러한 복합 테이프는, 예를 들어, 유리 섬유포(glass fiber cloth) 또는 폴리에틸렌 글리콜 테레프탈레이트 매트(mat)로 된 유연한 백킹 시트(backing sheet)(18)와 결합된 작은 운모 소박편의 펠트(felt) 또는 페이퍼일 수 있으며, 운모층(20)은 액체 수지 바인더에 의해 시트에 접합된다. 일반적으로 다수층의 복합 테이프(16)는 전압 요건에 따라 코일에 랩핑된다. 예를 들어, 유리 섬유와 같은 강한 섬유성 재료로 된 외측 테이프(21)가 코일에 랩핑될 수 있다.
일반적으로, 다수 층의 운모 테이프(16)를 사용하여 일반적으로 고전압 코일에 대해 사용되는 16 또는 그 초과의 층을 지닌 코일을 랩핑한다. 이후, 수지가 테이프층으로 함침된다. 수지는 절연 테이프와는 별개로 절연체로서도 사용될 수 있다. 불행하게도, 이러한 절연 정도는 열소산을 더욱 복잡하게 한다. 통상의 방법보다 더 열을 신속하게 전도할 수 있지만, 전기 절연성 및 기계적 및 열적 용량을 포함한 그 밖의 성능 인자를 저하시키지 않는 전기 절연이 요구되고 있다.
종래 기술과 관련된 그 밖의 어려움이 또한 존재하며, 그 중 일부는 본원을 더 읽어봄으로써 자명해질 것이다.
발명의 요약
상기 내용을 염두에 두고, 본 발명은 특히 운모와 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride: hBN) 조성물을 생산함으로써 절연 재료의 열전도성을 촉진하는 방법 및 장치를 제공하고 있다. 운모와 hBN 성분의 크기 분포에 따라서, 조성물은 절연 페이퍼를 생산하거나, 다양한 재료, 예컨대, 모울딩 가능하고 압출 가능한 절연체로서 사용될 수 있는 수지와 조합될 수 있는 분말을 생산하는데 사용될 것이다.
본 발명의 운모-hBN 조성물은 또한 그 밖의 형태의 높은 열 전도성(HTC) 충전제로 함침되어 열 전도성 및 그 밖의 물리적인 성질을 더 증가시킬 수 있다. 절연 페이퍼가 본 발명의 조성물로부터 형성되는 경우에, 절연 페이퍼는 단독으로 사용되거나 그 밖의 재료와 조합되어 절연 페이프를 형성시킬 수 있다. 이들 그 밖의 재료는 전형적으로는 섬유성 백킹(backing), 예컨대, 유리 및 수지 주입물을 포함한다. 그 밖의 재료가 또한 HTC 재료와 혼합되어 조합된 HTC 재료 테이프 제품을 생성시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이들 및 그 밖의 목적, 특징 및 이점은 특정의 구체예로서 가장 얇은 치수에서 0.01 내지 0.05mm의 평균 크기 범위를 지니는 운모 소박편(flakelet), 및 가장 긴 치수에서 10 내지 10,000nm 평균 크기 범위를 지니는 육방정 질화붕소, 및 수지 메트릭스를 포함하는 전기 절연 성분에 의해서 제공된다. 다른 양태로, 육방정 질화붕소는 10 내지 100nm의 평균 크기 범위 및 1:100 내지 1:20 중량비의 육방정 질화붕소 대 운모의 중량비, 또는 100 내지 1000nm의 평균 크기 범위 및 1:50 내지 1:10의 중량비, 또는 1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 범위 및 1:10 내지 1:2의 중량비를 지닌다. 운모 소박편과 육방정 질화붕소가 혼합되고, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는, 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서, 운모 소박편의 평균 크기에 비교한 육방정 질화붕소의 평균 크기에 직접적으로 비례하며, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는 약 1:1중량비를 결코 초과하지 않는다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 실리카, 알루미나, 산화망간, 실리콘 카바이드, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화아연, 산화티탄 및 다이아몬드 및 크기 약 1 내지 1000nm의 던드리머(dendrimer)로 구성될 수 있는 높은 열 전도성 충전제를 포함하는 전기 절연 성분의 특정의 양태로서, 그러한 높은 열전도성 재료가 10 내지 50의 외관비를 지니는 전기 절연 성분의 특정의 양태를 제공한다. 특정의 양태에서, 높은 열전도성 충전제가 수지에 로딩(loading)되며, 높은 열전도성 재료는 수지의 25 내지 40용적%이다.
본 발명의 또 다른 구체예로, 전기 절연 성분에서, 운모 소박편과 육방정 질화붕소는 페이퍼로 형성되며, 한 가지 양태에서, 수지는 페이퍼가 형성된 후에 운모 소박편과 육방정 질화붕소에 함침된다. 관련 구체예에서, 운모 소박편과 육방정 질화붕소는 수지와 혼합되어 도우 몰딩 컴파운드(dough moulding compound)로서 사용하기에 적합한 아주 높은 점도의 퍼티 컴파운드(putty compound) 또는 도우 컴파운드(dough compound)를 형성시킨다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 가장 얇은 치수에서 0.01 내지 0.05mm의 평균 크기 범위를 지니는 운모 소박편, 가장 긴 치수에서 10 내지 1,000nm의 평균 크기 범위를 지니는 육방정 질화붕소, 및 수지 매트릭스를 포함하는 전기 절연 페이퍼를 제공한다. 운모 소박편과 육방정 질화붕소는 혼합되어 페이퍼를 형성시키며, 수지가 그러한 형성 후에 페이퍼에 첨가되고, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는, 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서, 운모 소박편의 평균 크기에 비교한 육방정 질화붕소의 평균 크기에 직접적으로 비례하며, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는 약 1:1중량비를 결코 초과하지 않는다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 판형 질화붕소(더욱 특정의 구체예에서, 육방정 질화붕소) 및 운모 소박편의 혼합물을 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서 평균 크기 범위에 직접적으로 비례하는 비율로 포함하는 전기 절연 복합체를 제공한다. 육방정 질화붕소는 가장 긴 치수에서 10 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니고, 더욱 특정의 양태에서, 질화붕소는 1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니며, 조정 인자는 1을 초과한다. 최종적으로, 이러한 구체예에서, 전기 절연 복합체는 수지 매트릭스와 조합된다. 전기 절연 복합체의 더욱 특정한 양태에서, 운모 소박편은 1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니며, 판형 질화붕소 대 운모 소박편의 비는 약 1:1이고, 더욱 특정의 양태에서, 수지는 복합체와 페이스트(paste)를 형성한다.
상세한 설명을 더 읽어봄으로써 자명하게 될 본 발명의 다른 구체예가 또한 존재한다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 예를 들어서 더욱 상세히 설명되고 있다.
도 1은 고정자 코일 둘레에 랩핑되는 절연 테이프의 사용을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따라서 제조된 페이퍼를 통해서 흐르는 이동성 전하(예, 이동성 양성 또는 음성 이온, 전자 및 홀(hole))의 양식을 예시하고 있다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 운모와 조합되어 높은 열 전도성 조성물을 생성시키는 판형 질화붕소, 특히 길이 10 내지 10,000nm 범위의 육방정 질화붕소(hBN)의 조합을 제공한다. 운모는 층화된 페이퍼와 같은 제품으로 용이하게 형성될 수 판형으로 분할되는 것이 가능한 구조를 지니며, 그러한 페이퍼는 절연 테이프로 형성될 수 있다. 본 발명은 질화붕소의 유사성을 이용하여 더 높은 열전도성 질화붕소 재료로 약간의 운모 재료를 대체한다.
운모가 우수한 절연체인 이유중 하나는 운모 박편 및 소박편의 크기이다. 운모가 형성될 수 있는 크기 범위는 다양할 수 있지만, 일반적으로 운모는 천연 및 통상의 가공된 운모(모든 공지된 통상의 광물 형태를 포함)의 경우에 거대 크기(0.01 내지 0.05mm) 두께 범위 및 전형적으로 10mm까지의 가장 긴 판형 치수로 존재한다. 합성 운모의 경우, 가장 긴 치수 크기 범위는 마이크론 및 100nm 내지 10,000nm의 마이크론 이하 범위로 존재할 수 있다. 절연 테이프에서, 운모 페이퍼는 강도를 위해서 백킹 직물, 예컨대, 유리 매트 또는 직물과 조합된다. 그러한 페이퍼는 이어서 수지와 혼합되거나 수지로 함침될 수 있다.
운모는 페이퍼의 형성에 양호할 뿐만 아니라, 판형 운모가 전기적 트리잉 과정(electrical treeing process)에 대한 높은 굴곡성 경로를 생성시키기 때문에 그러한 운모는 또한 우수한 전기 절연 재료이다. 불행하게도, 운모는 또한 원치않는 역효과인 아주 높은 단열성을 지닌다. 운모를 다른 재료와 조합하여 열전도성을 개선시키기 위한 연구가 이루어지고 있지만, 과제중 하나는 운모의 기계적 안정성과 유전 강성을 너무 크게 저하시키지 않는 것이다.
미세규모의 판형 hBN은 운모와 유사한 판형 형상이며, 아주 높은 열 전도성 및 시트 또는 입자의 평면에서 전단 분해(박리)와 관련하여 비견되는 기계적 안정성을 지니고 있다. 유사한 크기 규모를 비교하는 경우, hBN은 일반적으로 평면 방향에서 운모보다 작은 치수를 지니며, 평면에 수직인 두께 치수가 훨씬 더 작아서, 일부 형태에서 판형 운모의 외관비와 비견되는 외관비를 지니거나 운모 보다 더 큰 외관비를 지닌다. 특히, hBN은 요구된 미세규모 크기 범위로 용이하게 생성될 수 있으며, 시중 구입 가능하다. hBN은 이상적인 형태의 판형 BN이며, 다른 형태의 판형 BN, 예컨대, 능면체(rhombohedral) BN이 또한 존재한다.
운모와 조합되는 hBN의 크기 범위는 사용된 조성에 따라서 상이한 형태의 물리적인 성질을 생성시킨다. 이러한 조성은 생성되는 복합체의 기계적 안정성 및 열 전도성을 변화시키기 위해서 조정된다. 사용된 hBN의 중량분율이 더 크면 클수록 생성되는 조성물에서의 열 전도성은 더 크지만 기계적인 강도는 더 약하다. 사용된 hBN의 평균 크기가 더 크면 클수록 기계적인 강도는 더 약하다.
더 높은 강도의 조성물이 양호한 기계적 통합성을 지니는 페이퍼를 생성시키기 위해서 사용될 수 있지만, 더 약한 강도의 조성물은 다양한 매트릭스의 열 전도성 및 유전성질을 향상시키기 위해서 분말 충전제로서 사용될 수 있다. 특정 형태의 매트릭스는, 운모-hBN 조성물과 조합되는 경우에, 함침되거나, 캐스팅되거나, 압출되거나, 코팅되거나, 페이스트, 퍼티 또는 도우 몰딩 컴파운드로서 사용될 수 있는 수지이다. 이러한 공정 방법에서 점성 조절이 중요하며 그러한 조절은 운모와 hBN 성분 둘 모두의 농도와 입자 크기 분포를 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
추가로, 다른 형태의 HTC 재료, 특히 나노(1-1000nm) 규모의 그러한 재료가 운모-hBN 조성물과 조합되어 열 전도성 및 기계적인 성질을 추가로 향상시킬 수 있다. HTC 재료는 또한 조성물이 첨가되는 생성 제품, 예컨대, 테이프에 첨가될 수 있다. HTC 충전제의 형태는 이하 더 상세히 설명되는 금속 산화물, 질화물, 카바이트 및 혼합된 화학양론적 및 비-화학양론적 조합물을 포함한다.
제조하고자 하는 조성물에 일반적인 특성 및 특정의 용도를 부여하는 hBN의 크기 범위는 세 가지 부류로 구분될 수 있다. 다른 한편으로, 운모는 일반적으로 생성되는 제품중에서 더 높은 굴곡성 구조를 생성시킴으로써 더 높은 유전강도 및 더 우수한 기계적 강도에 기여하는 거대 규모(예, mm 크기 범위)이다. 이에 대한 예외는 압출 가능한 절연 재료를 생성시키는 경우에 마이크로 크기 운모 입자를 사용하는 것이다.
hBN의 세 가지 부류는 평면 길이에서 10 내지 100nm, 100 내지 1000nm, 및1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 분포를 지니는 나노, 메조 및 마이크로이다. hBN은 열전도성을 증가시킨다. 그러나, 운모와 관련해서 운모-운모 입자 결합을 방해함으로써 페이퍼 형성 조성물의 기계적인 안정성을 약화시킬 것이지만, 양호한 전기 절연 성질을 유지시킬 것이다.
hBN 대 운모의 중량비는 의도하는 성질에 따를 것이다. 기계적으로 안정한 페이퍼의 경우에는 거대 크기 운모와 혼합된 나노 크기 hBN이 약 1 내지 5중량% hBN의 양으로 수행될 수 있다. 약 2 내지 10중량%의 범위로 거대 크기 운모와 혼합된 메조 hBN이 또한 기계적으로 안정한 페이퍼를 생성시킬 수 있지만, 거대 운모와 함께 1%초과 hBN의 양으로 마이크로 크기 hBN의 사용은 기계적으로 불안정한 페이퍼를 생성시킬 것이다. 이들보다 더 높은 중량 분율 조성물은 수지와 혼합되거나 그러한 수지에 함침되어 플로우 몰딩(flow molding), 플로우 캐스팅, 압출 코팅 및 퍼티 또는 도우 몰딩 적용의 압력에 의해서 가공될 수 있는 기계적으로 약한 매트 또는 분말을 생성시킬 것이다. 중량비 및 입자 크기 분포의 조절은 조성물로부터 형성되는 절연 재료의 요구된 물리적인 성질을 생성시킬 것이다.
나노 크기 hBN의 경우에, 조성물은 높은 열 전도성을 지니는 자체 지지 페이퍼로 형성될 수 있다. 큰 운모 박편은 페이퍼의 벌크(bulk)를 형성시키지만, 더 작은 hBN이 포논 수송(phonon transport)을 개선시킬 것이다. 특히, 더 작은 hBN은 열 전도를 불량하게 하는 경향이 있는 운모 페이퍼 기공 영역에 모일 것이다.
메조 크기 hBN은 운모에 대해 나노 크기에 비해서 더 높은 부하를 나타낼 것이다. 조성물은 여전히 자체 지지 페이퍼를 형성할 수 있지만, 이러한 페이퍼는 나노 크기 hBN과 함께 형성된 페이퍼보다 더 약할 것이며, 그 이유는 hBN이 일부 운모 대 운모 결합을 방해할 것이기 때문이다.
거대 크기 운모와 함께 마이크로 크기 hBN은 분말 형태로 가공될 수 있는 이상(two phase) 조성물을 생성시킬 수 있다. 이러한 분말은 이어서 수지 매트릭스와 조합되어 캐스팅, 압출, 코팅 및 그 밖의 수단으로 가공될 수 있는 액체 절연 재료를 생성시키고, 이어서 수지의 반응에 의해서 고형물로 전환된다.
마이크로 크기 hBN은 또한 유사한 크기의 판형 운모와 조합될 수 있다. 이러한 조합물은 호스트 수지 매트릭스와 조합되는 경우에 몰딩 가능하고 압출 가능한 절연 물질을 생성시키는 분말을 형성시킬 것이다.
운모가 그러한 양호한 전기 절연체인 이유중 하나는 그러한 운모가 전하(이온, 전자 및 홀)의 수송에 대한 굴곡된 경로를 생성시킨다는 것이다. 이러한 사항이 도 2에 도시되어 있으며, 그러한 도면에서, 전자(30)는, 복합체 페이퍼(17)의 섹션을 통해서 통과하기 위해서, 운모(22)의 다수의 중첩 소박편을 우회하는 것이 요구된다. 판형 BN, 예컨대, hBN(26)이 유사한 기능(32)을 나타낸다. 판형 BN은 양호한 기계적인 안정성뿐만 아니라 운모와 유사한 저항성을 지닌다. 운모 소박편과 조합되는 경우에, 판형 BN은 절연 재료를 통해서 전기 전기가 전파되는 굴곡된 경로를 보충한다.
한 가지 구체예에서, 본 발명은 두께 치수에서 0.01 내지 0.05mm의 평균 크기 범위를 지니는 운모 소박편, 가장 긴 치수에서 10 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니는 육방정 질화붕소, 및 수지 매트릭스를 포함하는 전기 절연 성분을 제공한다. 다른 양태에서, 육방정 질화붕소는 10 내지 100nm의 평균 크기 범위 및 1:100 내지 1:20 중량비의 육방정 질화붕소 대 운모의 중량비, 또는 100 내지 1000nm의 평균 크기 범위 및 1:50 내지 1:10의 중량비, 또는 1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 범위 및 1:10 내지 1:2의 중량비를 지닌다. 운모 소박편과 육방정 질화붕소가 혼합되고, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는, 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서, 운모 소박편의 평균 크기에 비교한 육방정 질화붕소의 평균 크기에 직접적으로 비례하며, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는 약 1:1 중량비를 결코 초과하지 않는다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 실리카, 알루미나, 산화망간, 실리콘 카바이드, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화아연 및 다이아몬드 및 크기 약 1 내지 1000nm의 던드리머로 구성될 수 있는 높은 열 전도성 충전제를 포함하는 전기 절연 성분의 특정의 양태로서, 그러한 높은 열전도성 재료가 10 내지 50의 외관비를 지니는 전기 절연 성분의 특정의 양태를 제공한다. 특정의 양태에서, 높은 열전도성 충전제가 수지에 로딩되며, 높은 열전도성 재료는 수지의 25 내지 40용적%이다.
본 발명의 또 다른 구체예로, 전기 절연 성분에서, 운모 소박편과 육방정 질화붕소는 페이퍼로 형성되며, 한 가지 양태에서, 수지는 페이퍼가 형성된 후에 운모 소박편과 육방정 질화붕소에 함침된다. 관련 구체예에서, 운모 소박편과 육방정 질화붕소는 수지와 혼합되어 도우 몰딩 컴파운드를 포함한 퍼티 몰딩 컴파운드를 형성시킨다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 가장 얇은 치수에서 0.01 내지 0.05mm의 평균 크기 범위를 지니는 운모 소박편, 가장 긴 치수에서 10 내지 1,000nm의 평균 크기 범위를 지니는 육방정 질화붕소, 및 수지 매트릭스를 포함하는 전기 절연 페이퍼를 제공한다. 운모 소박편과 육방정 질화붕소는 혼합되어 페이퍼를 형성시키며, 수지가 그러한 형성 후에 페이퍼에 첨가되고, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는, 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서, 운모 소박편의 평균 크기에 비교한 육방정 질화붕소의 평균 크기에 직접적으로 비례하며, 육방정 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는 약 1:1 중량비를 결코 초과하지 않는다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 판형 질화붕소(더욱 특정의 구체예에서, 육방정 질화붕소) 및 운모 소박편의 혼합물을 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서 평균 크기범위에 직접적으로 비례하는 비율로 포함하는 전기 절연 복합체를 제공한다. 육방정 질화붕소는 가장 긴 치수에서 10 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니고, 더욱 특정의 양태에서, 질화붕소는 1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니며, 조정 인자는 1을 초과한다. 최종적으로, 이러한 구체예에서, 전기 절연 복합체는 수지 매트릭스와 조합된다. 전기 절연 복합체의 더욱 특정한 양태에서, 운모 소박편은 1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니며, 판형 질화붕소 대 운모 소박편의 비는 약 1:1이고, 더욱 특정의 양태에서, 수지는 복합체와 페이스트(paste)를 형성한다.
절연 페이퍼와 관련하여, 이들은 호스트 매트릭스, 예컨대, 페이퍼를 형성하고, 이어서, 수지 또는 촉진제 또는 이들 둘 모두로 함침되는 운모를 포함하는 경향이 있다. 함침되기 전 또는 후에, 테이프에 사용된 페이퍼는 높은 인장 강도의 백킹, 예컨대, 유리 또는 폴리머 필름에 첨가된다. 절연 테이프의 호스트 매트릭스는 아주 양호한 전기 절연체로서 작용하지만, 또한 바람직하지 않은 역효과로 열을 잘 단열시킨다.
상기된 바와 같이 운모-hBN으로부터 형성될 수 있는 기재(substrate)의 열전도성을 증가시키는 것이 바람직하다. 본원에서 사용된 용어 기재는 절연 페이퍼가 형성되는 호스트 재료를 나타내며, 매트릭스는 기재로부터 제조되는 더 복합된 페이퍼 성분을 나타낸다. 이들 두 용어가 다소 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 매트릭스는 또한 호스트 테이프와 조합될 수 있는 호스트 수지를 나타내며, 이들 둘 모두는 HTC 재료로 분리 가능하게 함침될 수 있다. 열 전도성의 증가는 기재의 전기적 성질, 및 유전 성질, 예컨대, 소산 인자, 또는 기계적인 성질, 예컨대, 인장 강도 및 유착성에 심각하게 영향을 주지 않으면서 달성되어야 한다. 물리적인 성질이 또한 일부 구체예에서, 예컨대, 표면 코팅에 의해서 개선될 수 있다. 또한 일부 구체예에서, 호스트 매트릭스의 전기 저항은 HTC 재료의 첨가에 의해서 향상될 수 있다.
HTC 재료는 절연 페이퍼의 하나 이상의 다양한 제조 단계에서 기재 또는 매트릭스에 첨가될 수 있다. 절연 페이퍼의 제조에서의 구별된 단계가 존재한다. 이들은 세 개의 단계로 분리될 수 있다. 미가공 재료 단계, 슬러리 단계 및 페이퍼 생성물 단계로 분리될 수 있다. 예를 들어, 운모 페이퍼는 운모로서 시작하여, 박편(flake)로 전환되고 이어서 운모 소박편(flakelet)으로 전환되며, 이어서 액체와 조합되어 슬러리를 형성하고, 이어서, 기계에 의해서 가공되어 운모 페이퍼를 생성시킨다.
전기적 절연에 전형적으로 사용되는 표준 운모(백운모, 금운모) 외에, 또한 흑운모 뿐만 아니라, 몇 가지의 그 밖의 운모-유사 알루미노-실리케이트 재료, 예컨대, 카올리나이트(Kaolinite), 할로이사이트(Halloysite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite) 및 클로라이트(Chlorite)가 존재한다. 몬모릴로나이트는 그 구조가 격자 구조이며, HTC 재료, 예컨대, 금속 양이온, 유기 화합물 및 모노머 및 폴리머로 용이하게 함침되어 높은 유전강도의 복합체를 생성시킬 수 있다.
HTC 재료의 첨가는 어떠한 생산 단계 또는 모든 생산 단계에서 수행될 수 있다. 물론, 이들 단계 각각은 HTC 재료가 첨가될 수 있는 다수 서브-단계를 포함할 것이다. 다양한 단계에서 HTC 재료를 적용시키는 과정은 이들 다양한 단계에서의 호스트 매트릭스의 물리적인 특성에서의 차이를 고려해야 할 것이다. 예를 들어, HTC 재료를 느슨한(loose) 운모 박편 또는 운모 소박편에 첨가하는 것은 HTC 재료를 슬러리 또는 페이퍼 생성물중의 운모에 첨가하는 것과 다르다. HTC 재료는 또한 최종 절연 테이프의 다른 구성요소 부분, 예컨대, 백킹 섬유 또는 층간 결합 수지에 존재할 수 있다.
절연 페이퍼의 제조 방법은 열적, 화학적, 및 기계적 처리를 개별적으로 또는 조합으로 포함하여 펄프를 생성시키고, 이어서, 시이트로 변환되고, 페이퍼를 형성시킨다. HTC-재료는 액체 또는 다른 매질중에 함유되거나 건조 형태로 미가공 재료 단계에 첨가될 수 있다. HTC 재료는 기재, 예컨대, 건조 운모 소박편에 첨가되고 서로 혼합되어, 일예로, 기재내의 균일한 분포를 형성시킨다. 가열과 같은 방법이 이용되어 HTC 재료를 기재에 전달하는 액체 매질을 제거할 수 있다.
HTC 재료는 액체 담체중에 응결되거나 비응결된 형태의 현탁액에 이를 첨가함으로써 슬러리 단계에서 매트릭스내로 혼입된다. HTC 재료의 응집은 본 단계에서 일반적으로 바람직하지 않지만, 일부의 경우 이는 응집 구조의 특성에 따라서 사용될 수 있다. 계면활성제, 화학적 표면 제조, 또는 pH 조절이 이용되어 입자가 응집되지 않게 하거나 이들이 특정의 방법으로 응집되게 할 수 있다. HTC가 일부 자체 정렬되거나 외력에 의해서 정렬될 수 있으면, 혼합에서의 전체 분산은 필요하지 않을 수 있다.
슬러리 단계에서, 충전제는 파우더 또는 액상의 현탁액으로서 첨가될 수 있다. 액체는 물이 전형적이지만 본 기술분야에서 사용된 다양한 형태일 수 있다. 물 자체는 탈이온화되거나, 탈무기질화되거나, 첨가제를 지녀서 자신의 pH 값이 조절될 수 있다.
HTC 재료를 페이퍼 생성물내로 첨가하기 위해서, 충전제가 현탁액으로서 적합한 용매내로 혼입될 수 있다. 그 예는 전형적인 유기 용매, 예컨대, 헥산, 톨루엔, 메틸에틸케톤 등이다. 유사하게, HTC 재료가 액체중에 비-응집된 현탁액으로서 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 입자의 크기 분포는 호스트 매트릭스내의 공극 크기 분포와 관련하여 요구된 목적을 충족시키도록 선택될 수 있다. HTC 재료 크기 및 형태 분포를 이용하여 열전도성 및 그 밖의 물리적인 성질에 영향을 줄 수 있으며, 이를 달성하기 위해서 그러한 구성요소의 상이한 치밀 충전 성향 또는 이들의 상이한 응집 또는 자가-조립 성향이 이용될 수 있다.
슬러리 또는 페이퍼 생성물 단계에서, 또한 용매는 하나 이상의 촉진제, 예컨대, 아연 나프테네이트 및 그 밖의 금속염 또는 유기금속을 함유할 수 있으며, 이는 후에 함침된 수지의 반응을 가속하는데 이용될 수 있다. HTC 재료는 통상의 용매중의 촉진제 또는 촉진제와 함께 첨가될 수 있다.
HTC 재료는 호스트 매트릭스 또는 기재, 예컨대, 운모 및 폴리에스테르내로 삽입된다. 그 밖의 기재 성분은 유리 박편, 및 폴리아미드인 캡톤™(Kapton™), 또는 폴리에스테르, 예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 마일러™(Mylar™)를 포함한다. HTC 재료는 어떠한 및 모든 외부 및 내부 표면에 적용될 수 있다. 박편은 공통의 첫 번째 단계 기재이지만, 일부 형태의 기재 재료는 상이한 물리적 형태 또는 다중 층화되거나 연속적일 수 있는 복합 페이퍼를 형성할 수 있는 물리적 형태의 조합을 이용할 수 있다.
용어 HTC 재료는 호스트 매트릭스의 열전도성을 증가시키는 입자를 나타낸다. 한 가지 구체예에서, 이들은 약 1 내지 1000nm의 크기를 지닌 나노충전제이다. 이들은 구형의 판일 수 있거나, 수염(whisker), 로드(rod), 또는 나노튜브와 같이 큰 외관비를 지니고, 이들의 관련된 조립 형태, 예컨대, 응집체, 섬유 수상돌기(dendrite), 로프(rope), 번들(bundle) 및 네트 및 그 밖의 형태를 지닐 수 있다. 추가로, HTC 재료는 또한 코팅, 예컨대, 다이아몬드 유사 코팅(DLC) 및 다양한 금속 산화물, 질화물, 탄화물 및 호스트 매트릭스에 적용될 수 있는 혼합된 화학양론적 및 비-화학양론적 조합물을 나타낸다. 설명되는 바와 같이, HTC 재료의 조합, 예컨대, 나노, 메조 또는 마이크로 구체 및 로드의 조합, 또는 DLC 또는 나노, 메조 또는 마이크로 미립자상의 금속 산화물 코팅이 가능하다. 또한, 다양한 형태의 다이아몬드 나노충전제가 존재할 수 있으며, 이는 다이아몬드 유사 코팅과는 상이하다는 것을 주지하는 것이 중요하다. 많은 페이퍼 절연체는 수지로 고르게 함침되기 때문에, HTC 재료가 함침 후의 매트릭스의 열전도성을 증가시키는 것이 이들 구체예의 목적이다. 함침 후에, 입자는 호스트 매트릭스 입자의 표면상에 열 전도 네트워크를 형성시킴으로써 또는 함침 수지와 함께 또는 이들 둘의 일부 조합에 의해서 열전도를 증가시킬 수 있다. 함침 수지는 또한 그 자신의 HTC 재료를 지닐 수 있으며, 이는 절연 페이퍼에 첨가된 HTC 재료와 함께 또는 그와는 별도로 작용할 수 있다.
HTC 재료는 따라서 나노, 메조, 및 마이크로 무기 HTC-재료, 예컨대, 실리카, 알루미나, 산화마그네슘, 실리콘 카바이트, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화아연 및 다이아몬드 뿐만 아니라 더 높은 열 전도성을 주는 그 밖의 재료를 추가로 포함한다. 이들 재료는 다양한 결정학적 및 형상학적 형태를 지닐 수 있으며, 이들은 호스트 매트릭스와 함께 직접적으로 또는 담체 액체로서 작용하는 용매를 통해서 처리될 수 있다. HTC-재료가 단계, 예컨대, 페이퍼 생성물 단계에서 매트릭스 내로 첨가되는 경우, 용매가 바람직한 전달 시스템일 수 있다.
한 가지 구체예에서, HTC 재료는 덴드리머(dendrimer)이며, 또 다른 구체예에서, 이들은 3 내지 100 이상, 더욱 특히 10 내지 50의 외관비(평균 가로 치수 대 평균 세로 치수 비율)를 지니는 높은 외관비 입자를 포함하는 소정의 크기 또는 모양을 지닌 나노 또는 마이크로 무기 충전제이다.
하나의 구체예에서, 요구된 모양 및 크기 분포를 지니는 나노, 메조 및 마이크로 무기 충전제의 표면 코팅과 선택된 표면 특성 및 벌크(bulk) 충전제 성질은 서로 도움을 준다. 이는 호스트 매트릭스의 우수한 퍼콜레이션(percolation)을 가능하게 하고, 독립적인 상호연결 성질이 독립적으로 조절되면서 요구된 벌크 성질(bulk property)이 유지되게 한다.
모양과 관련하여, 본 발명은 호스트 매트릭스중의 향상된 퍼콜레이션을 위한 천연 로드(rod) 및 판을 지향하는 경향이 있는 모양을 이용하며, 자연적으로 형성된 재료 외에 합성 가공된 재료을 포함한 로드가 가장 바람한 구체예이다. 로드는 약 5 이상, 특히 10 이상이지만, 더욱 특별한 구체예로 100 이하인 평균 외관비를 지니는 입자로 정의된다. 한 가지 구체예에서, 로드의 축상 길이는 대체로 10nm 내지 100마이크론 범위에 있다. 더 작은 로드는 용매를 이용하여 최종 호스트 매트릭스에 첨가되는 경우에 더 우수하게 호스트 매트릭스에 퍼콜레이션될 것이다.
많은 마이크로 입자는 특정의 조건하에 고르게 분포되는 능력이 감소되는 회전 타원, 타원 및 원반 모양을 형성하고, 그로 인해서 퍼콜레이션이 발생되는 농도를 감소시키는 응집된 필라멘트 구조를 유도할 수 있다. 퍼콜레이션을 증가시킴으로써, 기재의 열적 성질이 향상될 수 있거나, 다르게는, 기재에 첨가될 필요가 있는 HTC 재료의 양이 감소될 수 있다. 또한, 향상된 퍼콜레이션은, 피해야 할 응결보다는, 기재내의 HTC 재료의 더욱 균일한 분포를 유도하여, 바람직하지 않은 경계, 불완전한 입자 습윤화 및 마이크로-공극 형성을 덜 하게 하는 보다 균일한 생성물을 생성시킨다. 유사하게, 구형 (밀집) 응집체(aggregate) 또는 응결체((agglomerate)가 아닌 높은 외관비 입자로부터 형성된 응집 필라멘트 또는 수지상 구조는 향상된 열전도성을 부여한다.
한 가지 구체예에서, 덴드리머는 유기-무기 경계가 덴드리머 코어-쉘 구조(core-shell structure)와 비-이산 상태인 이산 유기-덴드리머 복합체를 포함한다. 덴드리머는 중심 코어상에 형성되는 3-차원 나노규모의 코어-쉘 구조체 부류이다. 코어는 유기 또는 무기 재료일 수 있다. 중심 코어 상에 형성시킴으로써, 덴드리머는 집중 쉘의 연속적 첨가에 의해서 형성된다. 쉘은 분지된 분자 그룹을 포함하며, 각각의 분지된 쉘은 한 세대라 일컬어진다. 전형적으로, 사용된 세대의 수는 1 내지 10이며, 외부 쉘중의 분자 그룹의 수는 세대와 함께 기하급수적으로 증가한다. 분자 그룹의 조성은 정확하게 합성될 수 있으며, 외부 기는 반응성 작용기일 수 있다. 덴드리머는 호스트 매트릭스와 연결될 수 있을 뿐만 아니라 서로 연결될 수 있다. 따라서, 이들은 호스트에 HTC 재료로서 첨가될 수 있다.
일반적으로, 덴드리머가 크면 클수록 포논(phonon) 전달 요소로서 작용하는 이의 능력이 더 크다. 그러나, 재료를 투과시키는 능력 및 이의 퍼콜레이션 효능은 그 크기에 의해서 역으로 영향을 받을 수 있으며, 그로 인해서 최적의 크기는 구조 및 요구된 성질의 균형을 맞추는 것으로 여겨진다. 다른 HTC 재료와 유사하게, 용매가 덴드리머에 첨가되어 기재, 예컨대, 운모 또는 유리 테이프에 대한 이들의 함침을 도울 수 있다. 많은 구체예에서, 덴드리머는 다양하고 상이한 분자 그룹을 지닌 다양한 세대와 함께 사용될 것이다.
시판중의 유기 덴드리머 폴리머는 폴리아미도-아민 덴드리머(Polyamido-amine Dendrimers: PAMAM) 및 폴리프로필렌-이민 덴드리머(Polypropylene-imine Dendrimers: PPI) 및 PAMAM 내부 구조와 유기-실리콘 외부 구조를 지닌 덴드리머인 PAMAM-OS를 포함한다. 먼저 기재된 두 폴리머는 알드리치 케미칼TM(Aldrich ChemicalTM)으로부터 얻을 수 있으며, 마지막 하나는 다우코닝TM(Dow-CorningTM)으로부터 얻을 수 있다.
유사한 요건이 함께 반응하거나 기재와 반응할 수 있는 무기-유기 덴드리머에 대해서 존재한다. 이러한 경우에, 덴드리머의 표면은 상기된 것과 유사한 반응성 그룹을 함유할 수 있으며, 이는 또한 덴드리머-덴드리머, 덴드리머-유기, 덴드리머-하이브리드 및 덴드리머-HTC 매트릭스 반응중 어느 하나가 발생되게 할 것이다. 이러한 경우에, 덴드리머는 목적하는 유기 또는 무기 반응성 그룹 또는 리간드 중 어느 것을 함유하는 무기 코어 및 유기 쉘, 또는 그 반대를 지닐 것이다. 따라서, 반응성 그룹, 예컨대, 히드록실, 실라놀, 비닐-실란, 에폭시-실란 및 통상의 졸-겔 화학과 연루된 것과 유사한 무기 반응에 관여할 수 있는 그 밖의 그룹을 함유한 무기 쉘과 유기 코어를 지니는 것이 가능하다.
분자 그룹은 서로 반응하거나 기재와 반응하는 능력에 대해서 선택될 수 있다. 그러나, 다른 구체예에서, 덴드리머의 코어 구조는 열전도성을 보조하는 이들 자체의 능력에 대해서 선택될 것이며; 그 예로 이하 기재된 바와 같은 금속 산화물이 있다.
전기 절연 재료는 유기-무기 복합체를 기본으로 한다. 열전도성은 다른 절연 성질, 예컨대, 점탄 특성 및 열팽창 계수 및 전체 절연과 같은 다른 인자 외에 유전 성질(유전율 및 유전 손실), 전기 전도성, 전기 세기 및 전압 내성, 열 안정성, 인장 모듈, 가요성 모듈, 충격 강도 및 열 내구성에 유해하게 영향을 주지 않으면서 최적화된다. 유기 및 무기 상은 성질과 성능의 적절한 균형이 달성되도록 구성되고 선택된다.
마이크로 및 나노 HTC 입자는 요구된 모양, 예컨대, 로드 및 판 모양으로 자체 응집되는 이들의 능력에 대해서 선택될 수 있다. 입자가 자연적으로 자체 조립되는 이들의 능력에 대해서 선택될 수 있지만, 이러한 과정은 외력, 예컨대, 전기장, 자기장, 음파, 초음파, pH 조절, 계면활성제의 사용 및 입자의 전하 분포를 포함한 입자 표면 전하 상태에 대한 변화에 영향을 주는 그 밖의 방법에 의해서 증폭될 수 있다. 특정의 구체예에서, 표면 코팅을 예시하는 입자, 예컨대, 질화붕소, 질화알루미늄, 다이아몬드가 요구된 모양으로 자체 조립된다. 이러한 방법에서, 요구된 로드-모양이 시작 단계에서 고도의 열전도성 재료로부터 제조되거나 호스트 매트릭스내로의 통합 동안에 조립될 수 있다.
많은 구체예에서, HTC-재료의 크기 및 모양은 동일한 사용내에서 다양하다. 크기 및 모양의 범위가 동일한 제품에 이용된다. 다양한 길고 짧은 가변 외관비의 HTC-재료가 호스트 매트릭스의 열전도성을 향상시킬 뿐만 아니라, 향상된 물리적 성질 및 성능을 효능적으로 제공할 것이다. 그러나, 관찰해야 할 한 가지 특징은 입자 길이가, 설계에 의하지 않는 한, 기재/절연 층 사이의 브리징을 유발할 만큼 길지 않다는 것이다. 또한, 다양한 모양 및 길이는 더욱 균일한 용적 충전 및 충진 밀도를 제공하여 더욱 균일한 매트릭스를 생성시킴으로써 HTC-재료의 퍼콜레이션 안정성을 개선시킬 것이다. 크기 및 모양을 혼합하는 경우, 한 가지 구체예에서, 더 긴 입자는 더 로드-모양이며, 더 작은 입자는 더 회전 타원형, 판형 또는 원반형 및 또한 직평행 육면형(cuboid)이다. 예를 들어, HTC-재료를 함유하는 매트릭스는 약 0.1용적% 내지 65용적%의 HTC 재료, 더욱 특히, 약 1 내지 25용적% 범위의 HTC 재료를 함유할 수 있다.
관련된 구체예에서, HTC 재료는 소정의 크기 및 모양 분포를 지닐 수 있다. 두 경우 모두에서, 충전제 입자의 농도 및 상대적인 농도는 벌크 연결(또는 소위 퍼콜레이션) 구조가 달성되도록 선택되며, 이러한 구조는 용적 충전에 의해서 및 그러한 용적 충전 없이 높은 열전도성을 부여하여 향상된 열전도성을 지닌 구조적으로 안정한 이산의 이상(two phase) 복합체를 달성하게 한다. 또 다른 관련 구체예에서, HTC 재료의 배향이 열전도성을 증가시킨다. 또 다른 구체예에서, HTC 재료의 표면 코팅이 포논 전달을 향상시킨다. 이들 구체예는 다른 구체예와는 별개이거나 전체적으로 관련될 수 있다. 예를 들어, 덴드리머가 다른 형태의 고도로 구조화된 재료, 예컨대, 열경화성 및 열가소성 재료와 조합된다. 이들은 호스트 매트릭스 전체에 고르게 분포되어 HTC 재료가 포논 분산을 저하시키고 포논을 위한 마이크로-규모 브릿지를 제공하여 HTC 재료 사이에 양호한 열전도 경계가 생성되게 한다. 고도로 구조화된 재료는 열전도성이 단일 방향을 따라서 증가하여 편재되거나 벌크 이방성 전기 절연 재료를 생성하게 정렬된다. 또 다른 구체예에서, HTC는 소정의 벌크 성질을 지니는 충전제에 물리적으로 또는 화학적으로 부착되는 높은 열 전도성을 지닌 금속 산화물, 탄화물 또는 질화물 및 혼합된 시스템에 의한 낮은 열전도성 충전제의 표면 코팅에 의해서 달성될 수 있으며, 상기 부착은 화학 증기 증착 및 물리적인 증기 증착과 같은 과정 및 플라즈마 처리에 의해서 달성된다.
표면 작용기 첨가는 호스트 매트릭스와 화학반응을 할 수 있는 히드록실, 카르복실릭, 아민, 에폭시드, 실란 또는 비닐기를 포함할 수 있다. 이들 작용기는 무기 충전제의 표면에 자연적으로 존재할 수 있거나, 이들은 습식 화학 방법, 플라즈마 중합을 포함한 비-평형 플라즈마 증착, 화학적 증기 및 물리적인 증기 증착, 스퍼터 이온 도금 및 전자 및 이온 빔 증발 방법을 이용함으로써 적용될 수 있다.
선택된 입자 크기 및 모양 분포와 조합되는 경우, 소정의 퍼콜레이션 구조에 대해 절연 시스템의 벌크 열 및 전기 전도성을 조절하는 유기 표면 코팅 및 무기 표면 코팅, 예컨대, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물 및 혼합된 시스템이 생성될 수 있으면서, 입자 유전성은 시스템의 유전성을 조절하도록 선택될 수 있다.
반응성 표면 작용기는 무기 코팅에 고유한 표면 그룹으로부터 형성될 수 있거나, 추가의 유기 코팅을 적용시킴으로써 달성될 수 있으며, 이들 둘 모두는 호스트 매트릭스와 화학적으로 반응할 수 있는 히드록실, 카르복실릭, 아민, 에폭시드, 실란, 비닐 및 그 밖의 기를 포함할 수 있다. 이들 단일 또는 다수 표면 코팅 및 표면 작용기는 습식 화학 방법, 플라즈마 중합을 포함한 비-평형 플라즈마 방법 및 화학적 증기 및 물리적 증기 증착, 스퍼터 이온 도금 및 전자 및 이온 빔 증발 방법을 이용함으로써 적용될 수 있다.
다이아몬드-유사 탄소 코팅(Diamond-Like Carbon Coatings: DLC)은 높은 경도, 적은 마찰, 화학적 불활성을 나타내며, 전기적 절연을 위한 높은 전기 저항(약 1013Ohm cm)을 높은 열전도성(>1000W/mK)과 조합할 수 있다. DLC를 생성시키는 다양한 방법, 예컨대, 플라즈마 연관된 화학 증기 증착(plasma assisted chemical vapor deposition: PACVD), 물리적인 증기 증착(physical vapor deposition: PVD), 및 이온 빔 증착(ion beam deposition: IBD)이 있다. 일반적으로 DLC는 두께가 1 마이크론 미만이고, 혼합된 sp2 및 sp3 결합을 생성시키는 무정형 탄소 및 탄화수소이다. 결합비는 공정 파라메터, 예를 들어, 가스의 비율 및 DC 전압을 변화시켜서 생성물의 성질을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 결합비는, 예를 들어, 라만 분광법을 이용함으로써 직접적으로 측정될 수 있다.
비교적 큰 면적이 아주 신속하게 코팅될 수 있다. 예를 들어, PICVD 저압 비평형 과정을 이용함으로써 20 내지 100nm 코팅이 유리 천 표면의 면적 약 1평방피트에 즉각적으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 코팅내의 스트레스를 감소시키기 위해서 코팅 파라메터를 조절하거나 최적화하기 위해, DLC가 노출 기재 또는 다른 코팅을 지니는 기재들에 적용될 수 있다. DLC는 연속적이거나 유효 범위내에 갭을 지닐 수 있다. 그러한 갭은, 예를 들어, 함침된 수지의 우수한 결합을 가능하게 하는데 있어서 유리할 수 있다.
열전도성에서, 포논 전달이 향상되고, 구조 구성요소의 길이 규모를 보장함으로써 감소된 포논 분산은 열전달을 위한 포논 분포보다 짧거나 그에 상응한다. 더 큰 HTC 미립자 재료는 그들 자체의 성질상 포논 전달을 실질적으로 증가시킬 수 있지만, 더 작은 HTC 재료는 호스트 매트릭스의 성질을 변경시켜서 포논 분산에서의 변화에 영향을 줄 것이다. 이는 나노-입자를 사용함으로써 추가로 보조될 수 있으며, 그러한 나노-입자의 매트릭스는 높은 열전도성을 나타내는 것으로 공지되어 있으며, 입자 크기가 그 효과를 유지시키기에 충분한 것으로 공지되어 있으며, 또한 감소된 포논 분산을 위한 길이 규모 요건을 충족시키는 것으로 공지되어 있다. 매트릭스로부터 형성될 수 있는 사다리식 또는 정돈된 네트워크 구조 및 짧은 범위와 더 긴 범위 주기성 둘 모두를 지닌 반응된 덴드리머 격자를 포함하는 더욱 고도로 정돈된 구조의 선택을 고려하는 것이 또한 필요하다.
DLC를 나노, 메조, 마이크로 및 더 큰 치수의 입자에 적용하는 것은 높은 열전도성 입자의 크기 및 모양을 조작할 수 있어서, 자연적이거나 인공적인 퍼콜레이션 효과로부터 이점이 얻어질 수 있다. 한 예로, DLC가 유리 섬유 또는 많은 섬유들의 표면을 유사-연속적으로 코팅하도록 적용된다. 코팅 전의 섬유의 표면은 코팅으로부터의 요구된 성질을 향상시키도록 선택된다. 이어서, 섬유는 기계적으로 또는 다른 수단에 의해서 요구된 치수 분포의 짧은 DLC 코팅된 로드로 파괴된다. 또 다른 예에서, DLC 코팅이 높은 표면 대 두께 비를 지닌 박편-모양 입자에 적용되며, 그러한 입자의 예는 운모 소박편 및 BN 입자이다.
폴리-결정상 및 모노-결정상 나노-미립자 형태에서, 입자는 담체 입자, 예를 들어, 실리카의 표면과 회합할 수 있다. 실리카 그 자체는 강한 열전도성 재료가 아니지만, 표면 코팅의 첨가시에는 더 높은 열전도성이 될 수 있다. 그러나, 실리카 및 그 밖의 그러한 재료는 상기된 바와 같은 로드-모양 입자로 용이하게 형성되는 바와 같은 유리한 성질을 지닌다. 이러한 방법으로, 다양한 HTC 성질이 한 생성물 내로 조합될 수 있다. 또한, 이들 코팅은 이후의 수지 함침에 적용될 수 있으며, 절연 테이프의 유리 성분에도 적용될 수 있다.
또한, 유동장(fluid flow field) 및 전기 및 자기장이 HTC 재료에 적용되어 이를 분배시킬 수 있다. 교류 및 정전기장을 이용함으로써, 로드 및 판 모양이 마이크로-규모상에 정렬될 수 있다. 이는 상이한 방향의 상이한 열 특성을 지니는 재료를 생성시킨다. 전기장의 발생은 본 기술분야에 공지된 다양한 기술, 예컨대, 절연된 전기 전도체를 가로질러 전극을 부착시킴으로써 또는 재료 또는 절연 시스템의 중심에 전도체를 사용함으로써 수행될 수 있다.
본 발명이 주로 전기 산업에서의 사용으로 기재되어 있지만, 본 발명은 다른 분야에도 동일하게 적용 가능하다. 열 전달을 증가시켜야 하는 산업, 예를 들어, 오일 및 가스를 포함한 에너지 산업이 본 발명으로부터 동일한 이점을 얻을 수 있다. 본 발명의 그 밖의 주안점은 부품들의 밀도 향상을 위한 요구의 증가로 지역 및 광역에서의 열을 효율적으로 제거해야할 필요가 있는 전력전자제품, 인쇄회로판, 통상의 전자제품, 및 집적회로를 포함한다.
본 발명의 특정의 구체예가 상세히 기재되고 있지만, 본 기술분야의 전문가라면, 그러한 상세한 사항에 대한 다양한 변화 및 변경이 개시사항의 전체 교시내용과 관련하여 개발될 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 특정의 배열은 단지 예시하고자 하는 것이며 이로써 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위의 전체 범위 및 이의 어떠한 및 모든 균등물로 주어지는 것임을 인지할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 운모 소박편 각각의 가장 얇은 치수에서 0.01 내지 0.05mm의 평균 크기 범위를 지니는 운모 소박편;
    육방정 질화붕소 각각의 가장 긴 치수에서 10 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니는 육방정 질화붕소; 및
    수지 매트릭스를 포함하는 전기 절연 물질로서,
    상기 운모 소박편과 상기 육방정 질화붕소가 혼합되고;
    상기 육방정 질화붕소 대 상기 운모 소박편의 중량비는, 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서, 상기 운모 소박편의 평균 크기에 비교한 상기 육방정 질화붕소의 평균 크기에 직접적으로 비례하고;
    상기 육방정 질화붕소 대 상기 운모 소박편의 중량비(육방정 질화붕소/운모 소박편)가 1을 초과하지 않는 전기 절연 물질.
  2. 제 1항에 있어서, 높은 열 전도성 충전제를 추가로 포함하는 전기 절연 물질.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 높은 열 전도성 충전제가 실리카, 알루미나, 산화마그네슘, 실리콘 카바이트, 질화붕소, 질화알루미늄, 산화아연, 산화티탄 및 다이아몬드 및 크기 1 내지 1000nm의 덴드리머(dendrimer)중 하나 이상을 포함하고, 상기 높은 열 전도성 충전제가 10 내지 50의 외관비를 지니는 전기 절연 물질.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 높은 열 전도성 충전제가 상기 수지에 로딩(loading)되고, 상기 높은 열 전도성 충전제가 상기 수지의 25 내지 40용적%인 전기 절연 물질.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 운모 소박편과 상기 육방정 질화붕소가 함께 페이퍼로 형성되는 전기 절연 물질.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 페이퍼가 형성된 후에 상기 수지가 상기 운모 소박편과 상기 육방정 질화붕소 내로 함침되는 전기 절연 물질.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 운모 소박편과 상기 육방정 질화붕소가 수지와 혼합되어 퍼티(putty)를 형성시키는 전기 절연 물질.
  8. 제 1항에 있어서, 육방정 질화붕소가 10 내지 100nm의 평균 크기 범위를 지니며, 육방정 질화붕소 대 운모의 중량비가 1:100 내지 1:20인 전기 절연 물질.
  9. 제 1항에 있어서, 육방정 질화붕소가 100 내지 1000nm의 평균 크기 범위를 지니며, 육방정 질화붕소 대 운모의 중량비가 1:50 내지 1:10인 전기 절연 물질.
  10. 제 1항에 있어서, 육방정 질화붕소가 1000 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니며, 육방정 질화붕소 대 운모의 중량비가 1:10 내지 1:2인 전기 절연 물질.
  11. 운모 소박편 각각의 가장 얇은 치수에서 0.01 내지 0.05mm의 평균 크기 범위를 지니는 운모 소박편;
    육방정 질화붕소 각각의 가장 긴 치수에서 10 내지 1,000nm의 평균 크기 범위를 지니는 육방정 질화붕소; 및
    수지 매트릭스를 포함하는 전기 절연 페이퍼로서,
    상기 운모 소박편과 상기 육방정 질화붕소가 혼합되고 페이퍼로 형성되며, 상기 수지가 상기 페이퍼 형성 후에 페이퍼에 첨가되고;
    상기 육방정 질화붕소 대 상기 운모 소박편의 중량비가, 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서, 상기 운모 소박편의 평균 크기에 비교한 상기 육방정 질화붕소의 평균 크기에 직접적으로 비례하고;
    상기 육방정 질화붕소 대 상기 운모 소박편의 중량비(육방정 질화붕소/운모 소박편)가 1을 초과하지 않는 전기 절연 페이퍼.
  12. 제 11항에 있어서, 높은 열 전도성 충전제를 추가로 포함하는 전기 절연 페이퍼.
  13. 판형 질화붕소와 운모 소박편의 혼합물을 포함하는 전기 절연 복합체로서,
    상기 판형 질화붕소 대 운모 소박편의 중량비는, 0.5 내지 2의 조정 인자 내에서, 상기 운모 소박편의 평균 크기에 비교한 상기 판형 질화붕소의 평균 크기에 직접적으로 비례하고;
    상기 판형 질화붕소가 이들 각각의 가장 긴 치수에서 10 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니고;
    전기 절연 복합체가 또한 수지 매트릭스를 포함하는 전기 절연 복합체.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 판형 질화붕소가 육방정 질화붕소인 전기 절연 복합체.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 판형 질화붕소가 1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니며, 조정 인자가 1 초과 내지 2인 전기 절연 복합체.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 운모 소박편이 1000nm 내지 10,000nm의 평균 크기 범위를 지니며 상기 판형 질화붕소 대 상기 운모 소박편의 중량비가 1:1인 전기 절연 복합체.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 전기 절연 복합체가 페이스트(paste)인 전기 절연 복합체.
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