KR101279940B1 - 나노필러들의 다이아몬드상 코팅 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 운모와 같은 호스트 매트릭스 및 호스트 매트릭스에 삽입되는 HTC 물질들을 포함하는 높은 열 전도성(HTC) 페이퍼를 제공한다. HTC 물질들은 나노필러드, 호스트 매트릭스 바로 위의 다이아몬드상 코팅들, 및 나노필러들 상의 다이아몬드상 코팅들로 구성된다.

Description

나노필러들의 다이아몬드상 코팅{DIAMOND LIKE COATING OF NANOFILLERS}
본 출원은 Smith 등에 의해서 2004년 6월 15일에 출원된 미국 가출원 60/580,023호의 우선권을 청구하며, 상기 우선권은 여기에서 참조문헌으로서 포함된다. 본 출원은 또한 Smith 등에 의해 본 출원과 함께 출원된 미국 특허 출원 "Fabrics with High Thermal Conductivity Coatings"에 관련된다.
본 발명의 분야는 전기 절연에 사용되는 페이퍼의 열 전도성을 증가시키는 것에 관한 것이다.
임의의 형태의 전기 기기를 사용하는데 있어서는 전기 절연성 전도체들이 필요하다. 크기를 계속해서 감소시키고 모든 전기 및 전자 시스템들을 능률화시키기 위해서는, 더 훌륭하면서 또한 더욱 소형인 절연체들 및 절연 시스템들을 찾는 것이 필요하다.
좋은 전기 절연체들은, 그들의 높은 특성으로 인해서, 훌륭한 열 절연체들이 되는 경우가 또한 있는데, 이는 바람직하지 않다. 열 절연 성질은 특히 공랭식의 전기 장치 및 부품들에게 있어서는 상기 부품들 및 장치의 효율성 및 내구성을 전반적으로 감소시킨다. 최대 전기 절연 특성 및 최소 열 절연 특성을 갖는 전기 절연 시스템들을 제작하는 것이 필요하다.
비록 많은 요인들이 전기 절연 기술에 영향을 미치지만, 자기장은 절연체들의 다른 원하는 물리적인 특성들을 감소시키지 않고도 열을 전송하는 능력이 더욱 좋을 것이다. 통상적인 물질들의 열 전도성보다 더 높은 열 전도성을 가지면서 또한 전기 절연성 및 구조적인 완전성을 포함한 다른 성능들을 떨어뜨리지 않는 개선된 전기 절연성 물질들이 필요하다.
전기 절연체는 종종 테이프들의 형태를 갖는데, 상기 테이프들 자체는 여러 층들을 갖는다. 이러한 타입의 테이프들로서 통상적인 것으로는 인터페이스에서 섬유 층에 결합되는 페이퍼 층이 있는데, 상기 두 층들에는 수지가 주입되기 쉽다. 페이퍼 층은 운모(mica)와 같이 높은 전기 절연성을 갖는 물질들로 이루어질 것이다. 운모 테이프들은 미국 특허 제 6,103,882호에 개시된 바와 같은 촉매화된 운모 테이프를 포함함으로써 개선된다. 만약 페이퍼가 테이프에서 사용되거나 그와 독립적으로 사용되는 경우에 페이퍼의 열 전도성이 향상될 수 있다면, 전기 시스템은 현저한 개선을 보여줄 것이다. 종래 기술의 다른 문제점들이 또한 존재하는데, 그 중 일부는 아래를 읽어봄으로써 알게 될 것이다.
앞서 설명한 사항들을 고려한 상태에서, 본 발명에 따른 방법들 및 장치들은 높은 열 전도성(HTC) 물질들을 절연성 페이퍼의 호스트 매트릭스 상에 및/또는 내에 삽입함으로써 절연성 페이퍼의 열 전도성을 촉진시킨다. 본 발명의 HTC 물질들은 나노필러들 또는 표면 코팅들과 같은 다양한 타입일 수 있는데, 상기 나노필러들 및 표면 코팅들 각각은 그들 자신들 상에 여러 서브-그룹들을 포함하고 있다. HTC 물질들은 페이퍼에 본래의 물질들만이 있을 때와 같은 여러 스테이지에서 페이퍼에 추가될 수 있거나, 또는 페이퍼가 형성되고 있거나 또는 페이퍼가 형성되었을 때와 같은 스테이지에서 기판에 추가될 수 있다. 운모는 높은 전기 저항성으로 인해서 절연성 페이퍼를 위한 특정 종류의 기판이다.
절연성 페이퍼는 독립적이거나 또는 절연성 테이프를 형성하기 위해서 다른 물질들과 결합될 수 있다. 이러한 다른 물질들은 통상적으로 유리와 같은 섬유성 배킹(fibrous backing) 및 수지 주입물을 포함한다. 또한, 다른 물질들이 결합된 HTC 물질 테이프 제품을 제작하기 위해서 HTC 물질들과 삽입될 수 있다.
본 발명에 따른 이러한 그리고 다른 목적들, 특징들 및 장점들이 특정 실시예들에서 제공되는데, 일실시예에서는 본 발명은 운모와 같은 호스트 매트릭스 및 그 호스트 매트릭스에 삽입되는 HTC 물질들을 포함하는 HTC 페이퍼를 제공한다. HTC 물질들은 나노 필러들, 호스트 매트릭스 바로 위의 다이아몬드상 코팅들(diamond like coatings), 및 나노필터들 상의 다이아몬드상 코팅들 중 적어도 하나로 형성된다.
특정 실시예에서, HTC 물질들은 HTC 페이퍼의 부피의 0.1-65%를 포함하고, 다른 특정 실시예에서는, HTC 물질들은 HTC 페이퍼의 부피의 1-25%를 포함한다. HTC 페이퍼의 저항성은 대략 1012-1016 Ohm cm이고, 수지 주입 이후의 페이퍼의 열 전도성은 0.5 W/mK보다 크다.
다른 실시예에서, 본 발명은 삽입된 HTC 물질들, 유리 섬유 배킹 층, 및 운모 페이퍼 층과 유리 섬유 배킹 층 사이의 인터페이스를 갖는 운모 페이퍼 층을 포함하고 있는 전기 절연성 테이프를 제공한다. 운모 페이퍼 층과 유리 섬유 배킹 층에 수지가 주입된다. HTC 물질은 나노필러들, 호스트 매트릭 바로 위의 다이아몬드상 코팅들, 및 나노필러들 상의 다이아몬드상 코팅들 중 적어도 하나의 이루어지며, 운모 페이퍼의 부피의 1-25%를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 HTC 페이퍼를 제작하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 기판을 획득하는 단계 및 상기 기판 상에 HTC 물질들을 삽입하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 HTC 물질들은 나노필러들을 포함하는 솔벤트(solvent)를 기판 상에 삽입한 후 상기 솔벤트를 증착시키는 단계 및 중합체를 포함하는 분말로서 나노필러들을 상기 기판에 추가한 후 상기 기판 상에서 분말을 녹이는 단계 중 적어도 하나를 통해서 상기 기판에 삽입되는 나노필러들을 포함한다. 이어서, 페이퍼 제품이 상기 기판으로부터 제작된다. 나노필러들은 DLC에 의해서 표면 코팅될 수 있고, HTC 페이퍼가 HTC 전기 절연성 테이프에 결합될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 HTC 페이퍼를 제작하는 방법을 포함하는데, 상기 방법은 운모와 같은 기판을 획득하는 단계 및 HTC 물질들을 상기 기판 상에 삽입하는 단계를 포함한다. 다음으로, 기판은 페이퍼 제작이 이루어지는데, HTC 물질들은 증착을 통해서 기판 상에 분산되어진 DLC와 같은 표면 코팅을 포함한다.
다른 실시예는 HTC 페이퍼를 제작하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 기판을 획득하는 단계 및 상기 기판에 페이퍼 제작용 슬러리(pater making slurry)를 삽입하는 단계를 포함한다. HTC 물질들이 페이퍼 제작용 슬러리에 추가됨으로써 상기 HTC 물질들은 상기 기판에 삽입되고, 상기 슬러리가 페이퍼 제작 처리 동안에 런닝(run)된다. 종종, 기판이 스스로 더 잘 결합하도록 하기 위해서 그 시점에 폴리머들이 제공되기도 한다. HTC 물질들은 솔벤트와 같은 슬러리를 사용함으로써 기판에 삽입되는 나노필러들을 포함한다.
다른 실시예에서는, HPC 페이퍼를 제작하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 형성된 전기 절연성 페이퍼 제품인 호스트 매트릭스를 획득하는 단계 및 HTC 물질들을 상기 호스트 매트릭스 상에 삽입하는 단계를 포함한다. HTC 물질들이 기판에 삽입됨으로써, HTC는 페이퍼를 구성하는 물질에 결합한다. 만약 HTC 물질들이 나노필러들이라면, 그들은 나노필러들을 솔벤트와 혼합하고 솔벤트를 호스트 매트릭스 상에 주입하며 상기 솔벤트를 증착시킴으로써 추가된다. 만약 HTC 물질이 DLC라면, 그것은 증착에 의해서 호스트 매트릭스에 추가된다.
이어서, 이러한 페이퍼가 HTC 전기 절연성 테이프에 결합될 수 있다. HTC 물질은 페이퍼가 테이프에 결합되기 이전에 전체적으로 혹은 부분적으로 추가될 수 있거나, 또는 페이퍼가 테이프에 결합된 이후에 전체적으로 혹은 부분적으로 추가될 수 있다.
상세한 설명을 더 읽음으로써 알게 될 본 발명의 다른 실시예들이 또한 존재한다.
본 발명은 전기 절연성 테이프들에 사용되는 타입들과 같이 페이퍼 절연에 사용되는 기판 내에 그리고 기판 상에 높은 열 전도성(HTC) 물질들을 삽입하는 것 을 제공한다. 절연성 테이프들은 페이퍼 내에 형성되는 운모와 같은 호스트 매트릭스를 포함하는 경향이 있는데, 상기 호스트 매트릭스에는 종종 수지나 촉진제 또는 그 둘 모두가 주입된다. 주입되기 이전이나 또는 그 이후에, 테이프에서 사용되는 페이퍼는 유리나 폴리머 필름과 같은 고 신장력 배킹(high tensile strength backing)에 추가된다. 절연성 테이프의 호스트 매트릭스는 매우 훌륭한 전기 절연체로서 기능하지만 또한 열적으로도 절연성이고, 이는 원하지 않는 부작용이다.
그러므로, 기판의 열 전도성을 증가시키는 것이 필요하다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 기판은 절연성 페이퍼가 형성되는 호스트 물질을 지칭하고, 반면에 매트릭스는 기판으로 만들어진 더욱 완전한 페이퍼 성분을 지칭한다. 이러한 두 용어들은 본 발명을 논의할 때에 어느 정도는 교환적으로도 사용될 수 있다. 열 전도성의 증가는 손실계수와 같은 전기 특성들이나 신장력 및 점착력 특성들과 같은 기판의 물리적인 특성들을 상당히 손상시키기 않으면서 달성되어야 한다. 상기 물리적인 특성들은 표면 코팅들을 통해 일부 실시예에서 더욱 개선될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서는, 호스트 매트릭스의 전기 저항성이 HTC 물질들의 추가함으로써 또한 향상될 수 있다.
HTC 물질들은 절연성 페이퍼 제작의 여러 스테이지들 중 하나 이상의 스테이지에서 기판이나 매트릭스에 추가될 수 있다. 절연성 페이퍼 제작에는 독특한 스테이지들이 존재한다. 본 발명에 있어서, 이러한 스테이지들은 3가지 스테이지들로 분리될 수 있다. 즉, 본래 물질 스테이지, 슬러리 스테이지 및 페이퍼 제작 스테이지로 분리될 수 있다. 예컨대, 운모 페이퍼는 플레이크들(flakes)로 변환된 이후에 액체를 통해서 슬러리에 결합되는 운모 플레이크렛들(flakelets)로 변환되는 운모로서 시작되는데, 운모 페이퍼를 제작하기 위해 기계에서 사용된다.
전기 절연을 위해 통상적으로 사용되는 표준 운모(Muscovite, Phlogopite) 외에도, Kaolinite, Halloysite, Montmorillonite 및 Chlorite와 같은 수 개의 다른 운모 유형 Alumino-Silicate뿐만 아니라 Biotite 운모가 존재한다. Montmorillonite는 높은 유전력 혼합물을 제공하기 위해서 금속 양이온들, 유기물 혼합물, 단량체들 및 중합체들과 같은 HTC 물질들이 쉽게 삽입될 수 있는 격자들을 자신의 구조에 갖는다.
HTC 물질들을 추가하는 것은 제작 스테이지들 중 임의의 스테이지나 또는 모든 스테이지들에서 발생할 수 있다. 이러한 스테이지들 각각은, 물론, HTC 물질이 추가될 수 있는 여러 서브-스테이지들을 포함할 것이다. 여러 스테이지들에서 HTC 물질들을 적용하는 처리는 이러한 여러 스테이지들에서 호스트 매트릭스의 물리적인 특성들의 차이를 고려해야만 할 것이다. 예컨대, 운모 플레이크들이나 운모 플레이크렛들을 느슨하게 하기 위해서 HTC 물질들을 추가하는 것은 슬러리나 페이퍼 제작 시에 상기 물질들을 운모에 추가하는 것과는 다르다. HTC 물질들은 배킹 직물과 같은 종료된 절연성 테이프의 다른 성분 부분들이나 층간 결합 수지들에 제공될 수도 있다.
절연성 페이퍼의 제작 처리는 열, 화학, 및 기계 처리들을 개별적으로 또는 함께 결합함으로써 페이퍼를 구성하는 시트들로 변환되는 펄프(pulp)를 생성한다. HTC-물질들은 건성 형태로나 또는 액체나 다른 매체에 포함된 형태로 본래 물질 스테이지에 추가될 수 있다. HTC 물질은 일예로 기판 내에 균일한 분산을 형성하기 위해서 건성 운모 플레이크렛들과 같은 기판에 추가되거나 혼합된다. 가열과 같은 방법들이 HTC 물질들을 기판에 전달하는 액체 매체를 제거하기 위해 사용될 수 있다.
HTC 물질들은 덩어리나 또는 비덩어리 형태로 액체 운반자를 통해 부유물(suspension)에 추가됨으로써 슬러리 스테이지에서 매트릭스에 포함된다. HTC 물질로 이루어진 집합체는 일반적으로 이 단계에서는 바람직하지 않지만, 일부 경우에는 집합체 구조의 특성에 따라 사용될 수도 있다. 표면활성제, 화학 표면 처리(chemical surface preparation), 또는 pH 제어가 소립자들이 집합체를 이루지 않도록 보장하거나 그것들이 특정 방식들로 집합체를 이루도록 보장하기 위해 사용될 수 있다. 만약 HTC가 어느 정도 자체 정렬되거나 또는 외부로부터의 힘에 의해 정렬될 수 있다면, 혼합을 통한 완전한 분산이 필요하지 않을 수 있다.
슬러리 스테이지에서는, 필러들이 분말로서 추가되거나 또는 액체 상태의 부유물로서 추가될 수 있다. 액체는 해당 분야에서 사용되는 다양한 타입일 수 있고, 통상적으로는 물이다. 물 자체는 탈이온화되거나, 탈염되거나, 또는 자신의 pH 값을 제어하기 위해서 첨가제를 가질 수 있다.
HTC 물질들을 페이퍼 제품에 추가하기 위해서, 필터들이 부유물로서 적절한 솔벤트에 포함될 수 있다. 그 예들로는 핵산, 톨루엔, 메틸에틸케톤 등과 같은 통상적인 유기물 솔벤트들이 있다. 마찬가지로, HTC 물질이 비집합체 부유물로서 액체에 균일하게 분산되는 것이 바람직하다. 미립자의 크기 분포는 호스트 매트릭스에서 공간 크기 분포(vin size distribution)에 관해 원하는 목표를 성취하도록 선택될 수 있다. HTC 물질 크기 및 형태 분포는 열 전송성 및 다른 물리적인 특성들에 영향을 주기 위해 이용될 수 있고, 이를 달성하기 위해서, 그러한 성분들의 상이한 근접 패킹 성질이나 그들의 상이한 집합체 또는 자체-어셈블링 성질이 이용될 수 있다.
슬러리 또는 페이퍼 제작 스테이지에서는, 솔벤트들이 아연 나프텐 및 다른 금속염이나 유기물 금속들과 같은 하나 이상의 촉진제들을 또한 포함할 수 있는데, 상기 촉진제들은 나중에 주입되는 수지의 반응을 촉진시키기 위해 사용될 수 있다. HTC 물질은 상기 촉진제와 함께 통상적인 솔벤트나 촉진제에 추가될 수 있다.
본 발명은 HTC 물질들을 운모 및 폴리에스테르와 같은 호스트 매트릭스나 기판에 삽입한다. 다른 기판 성분들은 유리 플레이크들, 폴리이미드인 KaptonTM, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르인 MylarTM을 포함한다. HTC 물질들은 임의의 및 모든 외부 및 내부 표면들에 적용될 수 있다. 비록 플레이크들은 공통적인 제 1 스테이지 기판이지만, 일부 타입의 기판 물질들은 다른 물리적인 구성들을 사용할 수 있거나, 또는 다중층 또는 연속층일 수 있는 혼합 페이퍼를 형성할 수 있는 물리적인 구성들의 결합을 사용할 수도 있다.
HTC 물질이란 용어는 호스트 매트릭스의 열 전도성을 증가시키는 미립자를 지칭한다. 일실시예에서, 이들은 대략 1-1000nm의 직경들을 갖는 나노필러들이다. 이들은 구형의 작은 판일 수 있거나, 또는 휘스커들(whiskers), 로드들(rods) 또는 나노튜브들(nanotubes)과 같은 높은 에스팩트 비율(aspect ratio), 및 집합체들, 섬유성 덴드라이트들(fibrillar dendrites), 로프들(ropes), 번들들(bundles) 및 네트들(nets)과 같은 그들의 어셈블링된 형태들 및 다른 형태들을 가질 수 있다. 또한, HTC 물질들은 호스트 매트릭스에 적용될 수 있는 다이아몬드상 코팅들(DLC) 및 여러 금속 산화물들, 질화물들, 탄화물들, 혼합된 스토릭키오메트릭(stoichiomertric) 및 비-스토릭키오메트릭 결합물과 같은 코팅 물질들을 지칭한다. 논의될 바와 같이, 나노, 메소 또는 마이크로 구들(spheres) 및 로드들의 결합물과 같은 HTC 물질들, 또는 나노, 메소 또는 마이크로 미립자들 상의 DLC 또는 금속 산화물 코팅을 결합하는 것이 가능하다. 다이아몬드상 코팅들과는 다른 여러 형태들의 다이아몬드 나노필러들이 존재할 수 있다는 것을 주시하는 것이 또한 중요하다. 많은 페이퍼 절연체들에 궁극적으로는 수지들이 주입되기 때문에, HTC 물질들이 주입 이후에 매트릭스의 열 전도성을 증가시키는 것이 이러한 실시예들의 목적이다. 주입 이후에, 미립자들은 호스트 매트릭스 미립자들의 표면들에 열적으로 전도성인 네트워크를 형성하거나 또는 주입되는 수지나 그 둘의 어느정도 결합을 통해서 열 전도성의 증가를 유도할 수 있다. 주입되는 수지는 또한 고유의 HTC 물질들을 가질 수 있는데, 상기 HTC 물질들은 절연성 페이퍼에 삽입되는 HTC 물질들과 연계하거나 또는 그와 상관없이 독립적으로 기능할 수 있다.
그러므로, HTC 물질들은 실리카, 알루미나, 마그네슘 산화물, 탄화규소, 보론 질화물, 알루미늄 질화물, 아연 산화물 및 다이아몬드들과 같은 나도, 메소, 및 마이크로 무기물 HTC 물질들뿐만 아니라 더 높은 열 전도성을 제공하는 다른 것들을 추가적으로 포함한다. 이러한 물질들은 다양한 결정학적 및 형태학적 형태들을 가질 수 있으며, 직접적으로나 또는 운송자 액체로서 기능하는 솔벤트를 통해서 호스트 매트릭스와 처리될 수 있다. 솔벤트들은, HTC 물질들이 페이퍼 제품과 같은 스테이지에서 매트릭스에 추가될 때, 바람직한 전달 시스템일 수 있다.
일실시예에서, HTC 물질들은 덴트리머들(dentrimers)이고, 다른 실시예에서는, 그것들은 3-100 이상, 더 특별하게는 10-50의 범위의 에스팩트 비율들(평균 횡 크기와 평균 종 크기의 비율)을 갖는 높은 에스팩트 비율 미립자들을 포함하는 정해진 크기 또는 모양을 가진 나노 또는 마이크로 무기물 필러들이다.
일실시예에서, 바람직한 모양 및 크기 분포를 갖는 나노, 메소 및 마이크로 무기물 필러들의 표면 코팅, 선택된 표면 특성들 및 벌크 필러 특성들은 서로 우대적이다. 이는 호스트 매트릭스의 더 나은 침투(percolation)를 가능하게 하고, 독립적인 상호접속 특성들이 필요한 벌크 특성들을 유지하면서 독립적으로 제어된다.
모양에 관해서, 본 발명은 자연적으로 형성되는 것들 이외에 합성적으로 처리되는 물질들을 포함하는 가장 바람직한 실시예인 로드들을 갖는 호스트 매트릭스에서의 향상된 침투를 위해서 자연적인 로드들 및 작은 판들을 지향하는 모양을 활용한다. 로드는 거의 5이거나 그 이상의 평균 에스팩트 비율을 갖는 미립자로서 정의되거나, 특정 실시예에서 10 또는 그 이상의 평균 에스팩트 비율을 갖는 미립자로 정의되거나, 또는 더 특별한 실시예에서는 100보다 크지 않은 평균 에스팩트 비율을 갖는 미립자로 정의된다. 일실시예에서, 로드들의 축 길이는 거의 10nm 내지 100 마이크론의 범위에 있다. 더 작은 로드들은 솔벤트를 사용하여 완료된 호스트 매트릭스에 추가될 때 호스트 매트릭스에 침투할 것이다.
많은 마이크로 미립자들은 구 모양, 타원 모양 및 원반 모양을 형성하는데, 이들은 특정 상황들에서는 균일하게 분포하는 능력에 있어 감소되고, 따라서 침투가 발생하는 농도를 감소시키는 집합된 섬유 구조들을 유도할 수 있다. 침투를 증가시킴으로써, 기판의 열 특성들이 증가될 수 있거나, 또는 대안적으로는, 기판에 추가될 필요가 있는 HTC 물질의 양이 감소될 수 있다. 또한, 향상된 침투는 회피될 응집체보다는 기판 내에 HTC 물질의 더욱 균일한 분포를 유도하고, 원하지 않는 인터페이스들, 불완전한 미립자 젖음(wetting) 및 미세한 공간 형성을 가질 확률이 더 낮은 더욱 균일한 제품을 생성한다. 더 높은 에스팩트 비율 미립자로 형성되는 공 모양(밀집된) 집합체들 또는 응집체들보다는 마찬가지로 집합된 섬유 또는 덴드리틱(dendritic) 구조들이 향상된 열 전도성을 제공한다.
일실시예에서, 덴드리머는 유기물-무기물 인터페이스가 덴드리머 코어-셀(core-shell) 구조를 갖는 이산적이지 않은 유기물-덴드리머 혼합물을 포함한다. 덴드리머들은 중앙 코어 상에 형성되는 3 차원적인 나노스케일, 코어-셀 구조의 부류이다. 상기 코어는 유기물 또는 무기물 물질로 구성된다. 중앙 코어 상에 형성함으로써, 덴드리머들은 동심 셀들(concentric shells)의 순차적인 추가를 통해 형성된다. 상기 셀들은 분기된 분자 그룹들을 포함하고, 각각의 분기된 셀은 제너레이션으로 지칭된다. 통상, 사용되는 제너레이션의 수는 1 내지 10이고, 외부 셀에 있는 분자 그룹의 수는 상기 제너레이션에 따라 지수적으로 증가한다. 분자 그룹들의 혼합은 정확히 합성되고, 외부 그룹핑들은 반응성 기능 그룹들일 수 있다. 덴드리머들은 호스트 매트릭스와 링크할 뿐만아니라 서로간에도 링크할 수 있다. 그러므로, 그들은 HTC 물질로서 호스트에 추가될 수 있다.
일반적으로, 덴드리머가 클수록, 포논 전송 엘리먼트로서의 그것의 기능 능력도 커진다. 그러나, 상기 물질을 침투하는 그것의 능력 및 극서의 침투 포텐셜은 그것의 크기에 악영향을 줄 수 있고, 따라서 최적의 크기들은 필요한 구조 및 특성들의 균형을 달성하려 한다. 다른 HTC 물질처럼, 솔벤트들은 운모 또는 유리 테이프와 같은 기판에서 그들의 침투를 돕기 위해 덴드리머들에 추가될 수 있다. 많은 실시예들에서, 덴드리머들은 다양한 다른 분자 그룹들을 갖는 다양한 제너레이션들과 사용될 것이다.
상업적으로 이용가능한 유기물 덴드리머 중합체들은 Polyamido-amine Dendrimers(PAMAM), 및 Polypropylene-imine Dendrimers(PPI), 및 PAMAM 내부 구조 및 유기물-실리콘 외면을 갖는 데드리머인 PAMAM-OS를 포함한다. PAMAM 및 PPI는 Aldrich ChemicalTM 및 Dow-CorningTM의 마지막 것으로부터 이용가능하다.
함께 반응할 수 있거나 기판을 갖는 무기물-유기물 덴드리머들에 대해 유사한 요건들이 존재한다. 이 경우에, 덴드리머의 표면은 덴드리머-덴드리머, 덴드리머-유기물, 덴드리머-하이브리드, 및 덴드리머-HTC 매트릭 반응 중 어느 하나가 발생하도록 할 상술된 바와 유사한 반응성 그룹들을 포함할 수 있다. 이 경우에, 덴드리머는 해당하는 유기물 또는 무기물 반응성 그룹들 또는 리간드들(ligands) 중 하나를 포함하는 무기물 코어 및 유기물 셀, 또는 그 반대를 가질 것이다. 그러므로, 그것은 수산기, 실라놀, 비닐-실란, 에폭시-실란, 및 공통 솔-겔 화학에 수반되는 것들과 유사한 무기물 반응들에 참여하는 다른 그룹핑들과 같은 반응성 그룹들을 또한 포함하는 무기물 셀을 가진 유기물 코어를 갖는 것이 가능하다.
분자 그룹들은 서로를 갖거나 또는 기판을 갖는 그들의 반응 능력에 대해 선택될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서는, 덴드리머들의 코어 구조는 열 전도성에 있어 도움을 주기 위해 그들 고유의 능력에 대해 선택된다; 예컨대, 아래에 논의되는 바와 같은 금속 산화물.
다른 실시예에서, 본 발명은 유기물-무기물 혼합물에 기초하여 새로운 전기 절연 물질을 제공한다. 점탄 특성 및 열팽창 계수와 같은 다른 요인들 및 전체적인 절연성 이외에도 특성들(유전율 및 유전 손실), 전기 전도성, 전기 강도 및 전압 내구성, 열 안정성, 신장율, 휨율, 충격 강도 및 열 내구성과 같은 다른 절연 특성들에 유해적인 영향을 주지 않는 열 전도성이 최적이다. 유기물 및 무기물 상태들이 구성되며, 특성들 및 성능의 적절한 균형을 달성하기 위해 선택된다.
마이크로 및 나노 HTC 미립자들이 로드들 및 플레이트렛들과 같은 원하는 모양으로 자체적으로 모이는 그들의 능력에 따라 선택될 수 있다. 이러한 처리가 또한 전기장, 자기장, 음파, 초음파, pH 제어, 표면 활성제의 사용 및 전하 분포를 포함해서 미립자의 미립자 표면 전하 상태에 대한 변화에 영향을 주기 위한 다른 방법과 같은 외부 힘들에 의해 이러한 처리가 또한 증폭될 수 있을지라도, 미립자들은 자연적으로 자체-어셈블리하는 그들의 능력을 위해 선택된다. 특정 실시예에서, 보론 질화물, 알루미늄 질화물, 다이아몬드와 같은 표면 코팅들을 예시하는 미립자들이 원하는 모양으로 자체 어셈블링되도록 제작된다. 이러한 방식으로, 원하는 로드-모양들이 호스트 매트릭스로의 통합 동안에 초기에 또는 어셈블링시에 매 우 열적으로 전도성인 물질들로부터 제작될 수 있다.
많은 실시예들에서, HTC-물질들의 크기 및 모양은 동일한 사용 내에서 변한다. 크기 및 모양의 범위는 동일한 제품에서 사용된다. 다양한 긴 그리고 더 짧은 가변적인 에스팩트 비율 HTC-물질들은 호스트 매트릭스의 열 전도성을 향상시킬 뿐만 아니라 잠재적으로는 개선된 물리 특성들 및 성능을 제공할 것이다. 그러나, 관측되어야 하는 한 양상으로 미립자 길이는 설계되지 않는 한 기판/절연 층들 사이에 브릿징을 야기할 정도로 그리 길지 않다. 또한, 다양한 모양들 및 길이는 더욱 균일한 부피 채움 및 팩킹 밀도를 제공함으로써 HTC-물질들의 침투 안정성을 향상시킬 것이고, 그로 인해 더욱 균일한 매트릭스를 유도한다. 크기 및 모양들을 혼합할 때, 일실시예에서, 더 긴 미립자들은 더욱 로드-모양을 이루고, 반면에 더 작은 미립자들은 더 구면이고 플레이트렛 모양이거나 원반모양이고 심지어 입장형이다. 예컨대, HTC-물질을 포함하고 있는 매트릭스는 부피에 대해 대략 1%만큼 낮은 양 내지 65%만큼 높은 HTC 물질을 포함할 수 있는데, 더 특별하게는 그 범위는 부피에 대해 대략 1-25%이다.
관련된 실시예에서, HTC 물질들은 정해진 모양 및 모양 분포를 가질 수 있다. 두 경우에, 필러 미립자들의 농도 및 상대적인 농도는 향상된 열 전도성을 갖는 구조적으로 안정적인 이산 두 상태 화합물을 달성하기 위해 볼륨 필링을 통해서 및 그것을 통하지 않고 높은 열 전도성을 제공하는 벌크 연결(또는 소위 침투) 구조라 달성될 수 있게 선택된다. 다른 관련 실시예에서, HTC 물질들의 방향은 열 전도성을 증가시킨다. 또 다른 실시예에서, HTC 물질들의 표면 코팅은 포논 전송 을 향상시킨다. 이러한 실시예들은 다른 실시예들과 별도로 독립적일 수 있거나 완전히 관련될 수 있다. 예컨대, 덴드리머들은 열경화성 및 열가소성 물질들과 같은 다른 타입들의 높게 구성된 물질들과 결합된다. 그들은 호스트 매트릭스에 걸쳐 분포됨으로써, HTC 물질들이 포논 스캐터링을 감소시키며 또한 포논에 대한 마이크로-스케일 브릿지들을 제공하여 HTC 물질들 사이의 양호한 열 전도성 인터페이스들을 제공한다. 상기 높게 구성된 물질들은 열 전도성이 국부적인 또는 벌크 이방성 전기 절연성 물질들을 생성하기 위해 단일 방향을 따라 증가되도록 정렬된다. 다른 실시예에서, HTC는 금속 산화물, 탄화물 또는 질화물을 갖는 더 낮은 열 전도성 필러들 및 정해진 벌크 특성들을 갖는 필러들에 물리적으로나 또는 화학적으로 첨부되는 높은 열 전도성을 가진 혼합된 시스템들의 표면 코팅에 의해서 달성되고, 상기 첨부물은 화학 기상 증착 및 물리 기상 증착과 같은 처리들 및 플라즈마 처리에 의해서 달성된다.
표면 기능 그룹들의 추가는 호스트 매트릭스와의 화학적인 반응을 위해 이용가능하게 될 수산기, 카르복실, 아민, 에폭사이드, 실란 또는 비닐 그룹들을 포함할 수 있다. 이러한 기능 그룹들은 무기물 필러들의 표면 상에 자연적으로 존재할 수 있거나, 또는 그것들은 습식 화학적 방법, 플라즈마 중합체화, 화학 기상 및 물리 기상 증착을 포함하는 비-균형 플라즈마 증착, 스퍼터 이온 플랫팅, 및 전자 및 이온 빔 발산 방법들을 사용하여 적용될 수 있다.
유기물 표면 코팅들, 및 금속-산화물, 금속-질화물, 금속-탄화물 및 혼합 시스템과 같은 무기물 표면 코팅들이 생성될 수 있는데, 이들은, 선택된 미립자 크기 및 모양 분포와 결합될 때, 절연 시스템의 벌크 열 및 전기 전도성에 대한 제어를 갖는 정해진 침투 구조를 제공하는 동시에, 미립자 유전율이 시스템의 유전율을 제어하기 위해 선택될 수 있다.
반응성 표면 기능 그룹들이 무기물 코팅에 대해 고유적인 표면 그룹들로부터 형성될 수 있거나, 또는 추가적인 유기물 코팅들을 적용함으로써 달성될 수 있는데, 그들 모두는 호스트 매트릭스와의 화학적인 반응을 위해 이용가능하게 될 수산기, 카르복실, 아민, 에폭사이드, 실란, 비닐 및 다른 그룹들을 포함할 수 있다. 이러한 단일 또는 다중 표면 코팅들 및 표면 기능 그룹들은 습식 화학 방법들, 플라즈마 중합체화 및 화학 기상 및 물리 기상 증착을 포함하는 비-균형 플라즈마 방법들, 스퍼터 이온 플랫팅, 및 전자 및 이온 발산 방법들을 사용하여 적용될 수 있다.
다이아몬드상 탄소 코팅들(DLC)은 높은 경도, 낮은 마찰, 화학적인 비활성을 가지며, 높은 열 전도성(>1000W/mK)을 갖는 전기 절연을 위한 높은 전기 저항성(~1013Ohm cm)을 결합할 수 있다. 플라즈마 보조 화학 기상 증착(PACVD), 물리 기상 증착(PVD), 및 이온 빔 증착(IBD)과 같은 DLC를 생성하는데는 몇 가지 방법이 존재한다. 일반적으로, DLC는 1 미크론 미만의 두께를 가지며, 혼합된 sp2 및 sp3 결합들을 유도하는 비결정 탄소 및 탄화수소들을 갖는다. 상기 결합 비율은 처리 파라미터들, 예컨대 가스와 DC 전압의 비율을 변경함으로써 변할 수 있고, 그로인해 특성의 최종적인 변경을 유도한다. 상기 결합 비율은 예컨대 라만 분광학을 사 용하여 직접 측정될 수 있다.
상대적으로 큰 영역들이 매우 빠르게 코팅될 수 있다. 예컨대, PICVD 저전압 비균형 처리를 사용함으로써, 20-100nm 코팅이 즉시 영역의 리 클로스 표면의 거의 1 sq ft에 적용될 수 있다. 예컨대 코팅에 있어 압력을 감소시키기 위해 코팅 파라미터들을 제어하거나 최적화시키기 위해서, DLC가 다른 코팅들을 갖는 베어(bare) 기판이나 기판들에 적용될 수 있다. DLC는 연속적일 수 있거나 또는 수렴에 있어 갭을 가질 수 있다. 갭들은 예컨대 침투되는 수지의 더 나은 결합을 가능하게 하기에 유리할 수 있다.
열 전도성에 있어서, 포논 전송이 향상되고, 구조적인 엘리먼트들의 길이 스케일들을 보장함으로써 감소되는 포논 스케터링이 열 전송을 책임지는 포논 분포보다 더 짧거나 같게 된다. HTC 미립자 물질들이 당연히 포논 전송을 실질적으로 더 크게 증가시킬 수록, HTC 물질들은 호스트 매트릭스의 특성을 더 작게 변경할 수 있고, 그로인해 포논 스케터링의 변화에 영향을 준다. 이는 나노-미립자들을 사용함으로써 추가적으로 보조될 수 있는데, 상기 나노-미립자들의 매트릭스들은 높은 열 전도성을 나타내기 위해서 그리고 미립자 크기가 이러한 효과를 유지하기에 충분하도록 보장하기 위해 그리고 또한 감소된 포논 스케터링을 위한 길이 스케일 요건들을 충족시키기 위해 공지되어 있다. 또한, 짧은 범위 주기성 및 더 긴 범위 주기성 모두를 갖는 반응된 덴드리머 격자들을 포함하는 더욱 높게 순서화된 구조들 및 매트릭스들로부터 형성될 수 있는 사닥다리 또는 순서화된 네트워크 구조들의 선택을 고려하는 것이 필요하다.
나노, 메소, 마이크로 및 더 큰 크기의 미립자들에 DLC를 적용함으로써 높은 열 전도성 미립자들의 크기 및 모양이 설계될 수 있게 하고, 그로인해서 자연적으로 발생하거나 생성되는 침투 효과들로부터 유리한 사항이 획득될 수 있다. 일예에서, DLC는 유리 섬유나 다수의 섬유들로 이루어진 표면을 준-연속해서 코팅하기 위해 적용된다. 코팅 이전에 섬유의 표면은 코팅으로부터 원하는 특성들을 촉진시키도록 선택된다. 다음으로, 섬유는 원하는 크기 분포의 짧은 DLC 코팅된 로드들로 기계적이거나 다른 수단을 통해 바뀐다. 다른 예에서는, DLC 코팅이 예컨대 높은 표면 대 두께 비율, 운모 플레이크렛 및 BN 미립자를 갖는 플레이크-모양 미립자들에 적용된다.
다결정 및 단결정 나노-미립자 형태에 있어서, 미립자들은 예를 들면 실리카와 같은 운송 미립자의 표면과 연관될 수 있다. 실리카 자체는 강한 열 전도성 물질이 아니지만, 표면 코팅의 추가를 통해서 그것은 더 높은 열 전도성이 될 수 있다. 그러나, 실리카 및 다른 그러한 물질들은 위에서 논의된 바와 같이 로드-모양의 미립자들로 쉽게 형성되는 것과 같은 유리한 특성을 갖는다. 이러한 방식으로, 여러 HTC 특성들이 하나의 제품에 결합될 수 있다. 이러한 코팅들은 또한 나중의 수지 침투 및 절연 테이프의 유리 성분들에 적용될 수 있다.
또한, 유체 흐름장들 및 전기 및 자기장들이 HTC 물질들을 분산시키기 위해서 상기 HTC 물질들에 적용될 수 있다. 교류 또는 정적 전기장들을 사용함으로써, 로드 및 플레이트렛 모양들은 마이크로 스케일에 정렬될 수 있다. 이는 다른 방향으로의 상이한 열 특성들을 갖는 물질을 생성한다. 전기장의 생성은 절연된 전기 전도체를 가로질러 전극들을 부착하거나 또는 물질의 중앙이나 절연 시스템에 전도체를 사용하는 것과 같은 해당 분야에서 공지된 다양한 기술들을 통해 달성될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 유기물-무기물 화합물들에 기초하여 새로운 전기 절연 시스템을 제공한다. 여러 무기물 및 유기물 성분들 사이의 인터페이스가 화학적으로 및 물리적으로 심호하게 제작됨으로써, 상이한 상태들 사이의 고도의 물리적인 연속성을 보장하고, 기계적으로 강한 인터페이스들을 제공하며, 또한 높은 전압 응용 및 낮은 전압 응용 모두의 서비스에서 전기 절연 시스템의 동작 동안에 오류가 발생하지 않도록 한다. 그러한 물질들은 향상된 계면 완전성이 향상된 전력율, 절연 시스템의 더 높은 전압 스트레싱, 감소된 절연 두께에 의한 장점을 제공할 것이고, 또한 높은 여러 전송을 달성할 것이다.
특정 실시예는 다양한 표면 처리들, 나노, 메소 및 마이크로 무기물 필러들을 사용함으로써, 매트릭스에 대해 무기물 표면을 조화시킬 수 있는 다양한 표면 기능 그룹을 유도하거나 또는 호스트 매트릭스를 통해 화학적인 반응이 일어나도록 한다. 이러한 표면 기능 그룹들은 호스트 유기물 매트릭스와의 화학적인 반응을 위해 이용가능하게 될 수산기, 카르복실, 아민, 에폭사이드, 실란 또는 비닐 그룹들을 포함할 수 있다. 이러한 기능 그룹들은 습식 화학적 방법들, 비-균형 플라즈마 방법들, 화학 기상 및 물리 기상 증착, 스퍼터 이온 플랫팅, 및 전자 및 이온 빔 발산 방법들을 사용하여 적용될 수 있다.
일실시예에서, 본 발명은 운모와 같은 호스트 매트릭스 및 상기 호스트 매트 릭스에 삽입되는 HTC 물질들을 포함하는 HTC 페이퍼를 제공한다. HTC 물질들은 나노필러들, 호스트 매트릭스 바로 위의 다이아몬드상 코팅들, 및 나노필러들 상의 다이아몬드상 코팅들 중 적어도 하나로 구성된다.
특정 실시예에서, HTC 물질들은 HTC 페이퍼의 부피에 대해 0.1-65%를 포함하고, 다른 특정 실시예에서 HTC 물질들은 HTC 페이퍼의 부피에 대해 1-25%를 포함한다. HTC 페이퍼의 저항성은 대략 1012-1018 Ohm cm이고, 수지 주입 이후의 페이퍼의 열 전도성은 0.5 W/mk 보다 크다.
다른 특정 실시예들에서, 나노필러들은 5보다 큰 에스팩트 비율을 갖고, 또한 덴드리머들을 포함할 수 있다. 그들은 HTC 전기 절연 테이프에 결합될 수 있고, 테이프의 다른 성분들은 HTC 물질들을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 삽입된 HTC 물질들을 갖는 운모 페이퍼 층, 유리 섬유 배킹 층, 운모 페이퍼 층과 유리 섬유 배킹 층 사이의 인터페이스를 포함하는 전기 절연 테이프를 제공한다. 수지는 운모 페이퍼 층 및 유리 섬유 배킹 층에 걸쳐 주입된다. HTC 물질들은 나노필러들, 호스트 매트릭스 바로 위의 다이아몬드상 코팅들, 및 나노필러들 상의 다이아몬드상 코팅들 중 적어도 하나로 구성되고, 운모 페이퍼의 부피에 대해 1-25%를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 HTC 페이퍼를 제작하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 기판을 획득하는 단계 및 상기 기판에 HTC 물질들을 삽입하는 단계를 포함하고, 여기서 HTC 물질들은 기판 상에 나노필러들을 포함하는 솔벤트를 유도한 후 상기 솔벤트를 증발시키는 것과 중합체를 포함하는 분말 가루로서 나노필러들을 기판에 추가한 후 상기 기판 상에서 분말 가루를 녹이는 것 중 적어도 하나를 통해 기판에 삽입되는 나노필러들을 포함한다. 다음으로, 페이퍼 제품이 기판으로부터 생성된다. 나노필러들은 DLC와 같은 것에 의해서 표면 코팅되고, HTC 페이퍼가 HTC 전기 절연 테이프에 결합될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 운모와 같은 기판을 획득하는 단계 및 상기 기판 상에 HTC 물질들을 삽입하는 단계를 포함하는 HTC 페이퍼 제작 방법을 포함한다. 다음으로, 기판은 HTC 물질이 증착에 의해서 기판 상에 분산되어진 DLC와 같은 표면 코팅을 포함하는 페이퍼 제품으로 생성된다.
다른 실시예는 기판을 획득하는 단계 및 기판을 페이퍼 제작용 슬러리에 유도하는 단계를 포함하는 HTC 페이퍼 제작 방법을 제공한다. HTC 물질들은 HTC 물질이 기판에 삽입되도록 하기 위해서 페이퍼 제작용 슬러리에 추가되고, 상기 슬러리는 페이퍼 제작 처리에 사용된다. 종종, 기판이 스스로 더 잘 결합하도록 하기 위해서 이 시점에 중합체들이 존재한다. HTC 물질들은 솔벤트로서 슬러리를 사용함으로써 기판에 삽입되는 나노필러들을 포함한다.
다른 실시예에서는, HTC 페이퍼를 제작하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 형성된 전기 절연 페이퍼 제품인 호스트 매트릭스를 획득하는 단계 및 HTC 물질들을 호스트 매트릭스에 삽입하는 단계를 포함한다. HTC 물질들은 기판에 삽입됨으로써, HTC가 페이퍼를 제작하는 물질에 결합한다. 만약 HTC 물질들이 나노필러들이라면, 그들은 솔벤트와 나노필러들을 혼합하고, 솔벤트를 호스트 매트릭스에 주입하고, 솔벤트를 증발시킴으로써 추가된다. 만약 HTC 물질들이 DLC라면, 그것은 증착을 통해서 호스트 매트릭스에 추가된다.
이러한 페이퍼는 HTC 전기 절연성 테이프에 결합될 수 있다. HTC 물질들은 페이퍼가 테이프에 결합되기 이전에 전체적으로나 또는 부분적으로 추가될 수 있고, 또는 HTC 물질들은 페이퍼가 테이프에 결합된 이후에 전체적으로나 또는 부분적으로 추가될 수 있다.
비록 본 발명은 전기 산업에서 사용되는 것으로 주로 논의되었지만, 본 발명은 다른 분야에서도 동일하게 적용될 수 있다. 연 전송을 증가시키기 위해 필요한 산업들은 본 발명으로부터 동일한 장점을 얻을 것이다. 예컨대, 오일 및 가스를 포함하는 에너지 산업. 본 발명은 다른 주안점은 전력 전자, 인쇄 회로 기판, 통상적인 전자, 및 성분들의 향상된 밀도를 위한 증가적인 요건들이 국부적인 그리고 넓은 영역에서 열 효율성을 제거할 필요성을 유도하는 집적 회로를 포함한다.
비록 본 발명의 특정 실시예들이 상세하게 설명되었지만, 당업자라면 명세서의 전체적인 교시를 통해 세부사항들에 대한 다양한 변경 및 대안이 개발될 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 기재된 특정 실시예들은 단지 설명을 위한 것일뿐 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 청구범위의 임의의 및 모든 것들에 의해 제공된다.

Claims (20)

  1. 열 전도성 페이퍼(paper)로서,
    호스트 매트릭스(host matrix); 및
    상기 호스트 매트릭스에 삽입되는(intercalated) 열 전도성 물질들을 포함하고,
    상기 열 전도성 물질들은 다이아몬드상 카본 코팅(diamond like carbon coating)으로 코팅되는 나노필러들(nanofillers)을 포함하고, 상기 나노필러들은 1-1000nm의 직경들을 갖는,
    열 전도성 페이퍼.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 호스트 매트릭스는 운모(mica)인, 열 전도성 페이퍼.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 열 전도성 물질들은 상기 열 전도성 페이퍼의 부피의 0.1-65%를 포함하는, 열 전도성 페이퍼.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 열 전도성 물질들은 상기 열 전도성 페이퍼의 부피의 1-25%를 포함하는, 열 전도성 페이퍼.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 열 전도성 페이퍼는 1012-1016 Ohm cm의 저항과 적어도 500-1200 W/mK의 열 전도성을 갖는, 열 전도성 페이퍼.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 나노필러는 5보다 큰 에스팩트 비율(aspect ratio)을 갖는, 열 전도성 페이퍼.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 나노필러는 덴드리머들(dendrimers)을 포함하는, 열 전도성 페이퍼.
  8. 제 1항의 열 전도성 페이퍼를 포함하는,
    열 전도성 전기 절연성 테이프.
  9. 전기 절연성 테이프로서,
    제 2항의 열 전도성 페이퍼를 포함하는 운모 페이퍼 층 ― 상기 열 전도성 페이퍼는 상기 운모 페이퍼 층의 부피의 1-25%를 포함함 ―;
    유리 섬유 배킹(backing) 층 ― 상기 운모 페이퍼 층과 상기 유리 섬유 배킹 층 사이에 인터페이스가 존재함 ―; 및
    상기 운모 페이퍼 층과 상기 유리 섬유 배킹 층에 걸쳐 주입되는 수지를 포함하는,
    전기 절연성 테이프.
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