KR101608732B1 - 그 내부에 형성된 어퍼처들을 갖는 절연 물질들 - Google Patents

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Abstract

백킹 층(20) 및 상기 백킹 층(20)에 결합된 전기 절연 층(18)을 포함하는 개선된 전기 절연 테이프(16)가 제공된다. 전기 절연 층(18) 및 백킹 층(20) 중 적어도 하나는, 수지 함침 동안 절연 테이프(16) 안으로 수지를 함침시키는 흐름을 개선시키기 위해, 그 내부에 형성된 복수의 어퍼처들(26)을 포함한다.

Description

그 내부에 형성된 어퍼처들을 갖는 절연 물질들{INSULATION MATERIALS HAVING APERTURES FORMED THEREIN}
본 발명은 일반적으로 전기 절연 테이프(tape)들의 분야에 관한 것이고, 그리고 더욱 특히, 전기 절연 물질들 그리고 상기 전기 절연 물질들 안으로의 수지들의 개선된 함침(impregnation)을 위한 방법들에 관한 것이다.
모터(motor)들 또는 발전기들과 같은 다양한 다이나모일렉트릭(dynamoelectric) 머신(machine)들 내에서 고전압 권선들이 사용된다. 예컨대, 고정자 권선들로서 흔히 지칭되는 고-전압 권선들이 고-전압 전기 발전기들 내에서 사용된다. 고정자 권선과 같은 고-전압 권선은 적어도 하나의 권선 바(bar)로부터 형성될 수 있고, 상기 권선 바는 차례로 하나 또는 그 초과의 전기 전도체들을 포함한다. 개별 전기 전도체들은 구리와 같은 매우 전도적인 물질로 형성된다. 전기 전도체들은 통상적으로, 개별적으로 절연되고 그리고 서로 번들링되어(bundled), 권선 바가 형성된다. 번들은, 차례로, 절연부(insulation)에 의해 둘러싸이고, 그리고 권선 절연체 또는 그라운드월(groundwall) 절연체로서 종종 지칭된다. 그라운드월 절연체는 통상적으로 유리-백킹된 운모 테이프(glass-backed mica tape)와 같은 절연 테이프의 다중 층들을 포함한다. 그라운드월을 오버레이(overlay)하는 것은, 그라운드월 절연체를 둘러싸는 외부 전도성 접지 전극이다. 외부 전도성 접지 전극은, 그라운드월 절연체 위에 감싸진 전도성 테이프 또는 전도성 도료의 코팅부(coating)일 수 있다. 외부 전도성 접지 전극은, 고-전압 권선의 외부 표면의 전압이 접지 전위에 있도록 하기 위해 접지되도록 연결된다.
테이프는, 하프 래핑(half lapping)된 채로, 인접된 채로 또는 임의의 다른 적절한 방식으로 적용될 수 있다. 일반적으로, 운모 테이프의 다중 층들은 통상적인 고전압 코일(coil)들에 대해 일반적으로 사용되고 있는 16개 또는 그 초과의 층들을 갖는 코일을 중심으로 감싸진다. 층들의 개수는, 발전기의 전력에 따라, 그리고 전기적으로 절연시키기 위한 그리고 열을 전도시키기 위한 절연체의 능력들 둘 다에서 상기 절연체의 효과에 따라 감소될 수 있다. 더 나은 내마모성(abrasion resistance)을 제공하기 위해 그리고 더 엄격한 절연을 보장하기 위해, 거친 섬유질의 물질, 예컨대 유리 섬유, 석면 등등의 외부 테이프의 감싸짐이 코일에 적용될 수 있다.
절연 테이프는, 상기 절연 테이프의 전체 특성들을 개선시키기 위해 일반적으로 수지로 함침된다. 물질들을 에폭시(epoxy) 수지들로 코팅하고 그리고 그런 다음 물건을 경화(curing)하는 많은 방법들이 있다. 하나의 그러한 방법은 진공 압력 함침(VIP)이다. 이러한 방법은 고정자 전도체 코일들과 같은 디바이스(device)들 상에서 사용된다. 절연 테이프가 코일들에 적용되고, 그런 다음 코일들은 진공 용기 내에 배치되고 그리고 진공이 적용된다. 임의의 시간 기간 이후, 수지가 코일들을 함침시키도록 허용된다. 수지를 코일들 안으로 밀어넣도록 하기 위해 그리고 전도율에 영향을 끼칠 공동들을 최소화하기 위해 압력이 가해진다. 이것이 완료된 이후, 수지를 경화하기 위해 코일들은 가열된다. 이러한 글로벌 VPI(GVPI)의 변형은, 건식의 절연된 코일들이 감기고 그런 다음 개별 코일들이 아니라 전체 고정자가 진공 압력 함침되는 프로세스(process)를 포함한다. 현재 절연 테이프들의 비교적 높은 밀도로 인해, 불완전한 함침과 같이, 그러한 테이프들을 최적으로 함침시키는 것에 대해 일반적으로 문제점들이 있다. 불완전한 함침은 전압 스트레스들에 저항하기에 코일의 무능력을 유도할 수 있고 그리고 너무 이른 브레이크다운(breakdown) 및 페일(fail)을 유발할 수 있다.
본 발명은 도면들을 고려하여 아래의 설명에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 양상에 따라 고정자 코일 주위에 래핑되어(lapped) 있는 절연 테이프를 도시한다.
도 2는 본 발명의 양상에 따라 그 내부에 형성된 복수의 어퍼처(aperture)들을 갖는 절연 테이프를 도시한다.
도 3은 본 발명의 양상에 따라 절연 테이프의 길이방향 축에 병렬로 배향된 복수의 어퍼처들을 갖는 절연 테이프를 도시한다.
도 4는 본 발명의 양상에 따라 절연 테이프의 길이방향 축에 비스듬히 배향된 복수의 어퍼처들을 갖는 절연 테이프를 도시한다.
도 5a-도 5e는 본 발명의 양상에 따라 절연 테이프 내의 어퍼처들에 대한 예시적 패턴(pattern)들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 양상에 따라, 절연 층을 통과해 그리고 백킹(backing) 층 안으로 ― 그러나, 백킹 층을 완전히 통과하는 것은 아님 ― 연장되는 복수의 어퍼처들을 갖는 절연 테이프를 도시한다.
도 7은 본 발명의 양상에 따라, 복수의 어퍼처들을 갖는 절연 층과 상기 절연 층의 어퍼처들로부터 오프셋되는(offset) 복수의 어퍼처들을 갖는 백킹 층을 갖는 절연 테이프를 도시한다.
도 8은 본 발명의 양상에 따라 그 내부에 형성된 복수의 어퍼처들을 갖는 (백킹 층이 없는) 구조적으로 안정된 운모 시트를 도시한다.
도 9는 본 발명의 양상에 따라 절연 테이프 내에 복수의 어퍼처들을 형성하기 위한 레이저 소스(laser source)를 도시한다.
도 10은 본 발명의 양상에 따라 절연 테이프 내에 복수의 어퍼처들을 형성하기 위한 시스템(system)을 도시한다.
도 11은 본 발명의 양상에 따라 절연 테이프 내에 복수의 어퍼처들을 형성하기 위한 다른 시스템을 도시한다.
본 발명자들은, 수지 함침 동안 수지를 절연 테이프 안으로 함침시키는 흐름을 실질상 개선시키는 절연 테이프를 혁신적으로 개발해왔다. 일 실시예에서, 절연 테이프는 적어도, 절연 층, 그리고 레이저 드릴링(drilling) 등등에 의해 그 내부에 형성된 복수의 어퍼처들(홀(hole)들)을 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, 절연 테이프의 전기적 성능이 저하되지 않으면서, 테이프 안으로의 수지 함침이 개선될 수 있도록, 어퍼처들은 10 마이크론(micron) 또는 그 미만의 최대 치수를 갖는다. 이러한 방식으로, 개선된 절연 테이프들은, 수지 함침을 개선시키지만, 제조 동안에 그리고 서비스 중에 테이프들에 의해 경험되는 스트레스(stress)들 및 힘들을 또한 견딜 수 있다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 본 발명의 절연 테이프들에 대한 예시적 환경을 도시한다. 예시적 코일(10)은 베이켈라이즈드(bakelized) 코일(14)로 어셈블링되는(assembled) 전도체들(12)의 복수의 턴(turn)들을 포함한다. 코일(14)에 대한 접지 절연은, 전기 절연 테이프(절연 테이프(16))의 하나 또는 그 초과의 층들을 베이켈라이즈드 코일(14)을 중심으로 감쌈으로써 제공된다. 절연 테이프(16)는 통상적으로, 액체 수지질의 바인더(22)(binder)에 의해 백킹 층 또는 백킹 시트(20)에 결합 또는 결합된 전기 절연 층(절연 층)(18)을 포함한다.
일 실시예에서, 절연 층(18)은, 기술분야에서 알려진 바와 같은 종래의 제지 프로세스들에 의해 운모 시트로 형성된 복수의 운모 플레이크(flake)들을 포함한다. 운모는, 운모 플레이크들 및 플레이크렛(flakelet)들의 크기로 인해 원하는 절연체인 것으로 알려져 있다. 운모는 표준 운모(백운모, 금운모), 흑운모 운모, 또는 임의의 다른 적절한 운모-유사 알루미늄 실리케이트(mica-like alumino-silicate) 물질들, 예컨대 고령석, 핼로이사이트(halloysite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 및 녹니석일 수 있다. 운모가 형성될 수 있는 크기 범위들은 가변될 수 있지만, 운모는 일반적으로, 자연히 생기고 그리고 종래에 프로세싱된 운모들(모든 알려진 흔한 미네랄(mineral) 형태(form)들을 포함함)에 대해 최대 10㎜의 최장 플레이트렛(platelet) 치수들을 갖는 매크로(macro)-크기(예컨대, 0.01-0.05㎜)의 두께 범위 내에 있다. 합성(synthetic) 운모들에 대해, 최장 치수 크기 범위는 100㎚ 내지 10,000㎚의 마이크론 및 서브(sub)-마이크론 범위 내에 있을 수 있다. 운모는 종이를 형성하는데 능숙할 뿐만 아니라, 플레이트렛들이 전기 수지상(treeing) 프로세스들에 대해 높은 비틀림 경로(tortuosity pathway)들을 생성하기 때문에, 운모는 또한 완벽한 전기 절연 물질이기도 하다. 운모는, 불행하게도, 또한 매우 열적으로 절연적이기도 하지만, 이는 원해지지 않는 부작용이다.
다른 실시예에서, 절연 테이프(16)는 높은 열전도율(HTC) 물질들(24)을 더 포함할 수 있고, 상기 높은 열전도율(HTC) 물질들(24)은, 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함되는 미국 특허 번호 7,846,853 내에서 설명된 바와 같이 운모 종이의 제조 중의 임의의 적절한 단계에서, 예컨대 건식 물질 단계, 슬러리(slurry) 단계, 또는 최종 물건에서 운모와 결합될 수 있다. 운모 종이들은 통상적으로, 높은 절연내력 콤파지트(dielectric strength composite)들을 제공하기 위해 금속 산화물들, 질화물들, 및 탄화물들, 유기 화합물들 및 단량체(monomer)들 및 중합체들과 같은 그러한 HTC 물질들을 이용하여 쉽게 삽입될 수 있는 구조들을 갖는다. HTC 물질들(24)은, 대신에 또는 추가로, 절연 테이프(16) 안으로 함침되는 수지 내에 포함될 수 있다.
HTC 물질들(24)은, 호스트 매트릭스의 열전도율을 증가시키는 임의의 적절한 입자들을 포함할 수 있다. HTC 물질들은 나노-입자들, 메소(meso)-입자들 및/또는 마이크로 크기의 입자들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, HTC 물질들(24)은 1-1000㎚의 치수를 갖는 나노필러(filler)들을 포함한다. 나노필러들은 구체일 수 있거나, 플레이트렛들일 수 있거나, 위스커(whisker)들, 로드(rod)들 또는 나노튜브(nanotube)들과 같이 높은 종횡비를 갖는 형상일 수 있거나, 그리고/또는 애그리게이트(aggregate)들, 섬유성의 덴드라이트(fibrillar dendrite)들, 로프(rope)들, 번들들, 넷들 및 다른 형태들과 같이 어셈블링된 형태들로 있을 수 있다. HTC 물질들(24)은 또한, 다이아몬드(diamond)-유사 코팅부들과 같은 코팅부들, 또는 더 낮은 열전도율의 물질들 상에 배치되는 금속 산화물들, 질화물들, 및 탄화물들과 같은 다른 높은 열전도율 물질들을 포함할 수 있다. 추가로, HTC 입자들은, 연속 콤파지트 물질을 형성하기 위해 함침 수지를 이용하여 직접 또는 간접 공유 결합(covalent bond)들(링키지(linkage)들)을 형성할 수 있는, HTC 물질들로 반응적으로 이식(graft)되는 무기 또는 유기 표면 작용기들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, HTC 물질들은 하나 또는 그 초과의 공유 결합들을 통해 함침 수지에 직접 결합된다. 미국 특허 번호 7,781,063에서 적절한 HTC 물질들의 특정 예들이 개시되고, 상기 특허의 전체가 이로써 인용에 의해 포함된다.
절연 테이프(16) 안으로 함침된 함침 수지는, 임의의 적절한 수지 또는 에폭시 수지 ― 변형된 에폭시들, 폴리에스터들, 폴리우레탄들, 폴리이미드들, 폴리에스테르이미드들, 폴리에테르이미드들, 비스말레이미드들, 실리콘들, 폴리실록산들, 폴리부타디엔들, 시아네이트 에스터들, 탄화수소들 등, 뿐만 아니라 이러한 수지들의 동종 블렌드들을 포함함 ― 일 수 있다. 또한, 함침 수지는, 가교제들, 가속기들 및 다른 촉매제들 및 가공 보조제들과 같은 첨가제들을 포함할 수 있다. 액정 서모셋들(LCT) 및 1,2 비닐 폴리부타디엔과 같은 특정 수지들은, 낮은 분자량 특징들을 우수한 가교 특성들과 결합시킨다.
절연 층(18)은 통상적으로, 수지질의 바인더(22)를 갖는 유연한(pliable) 백킹 층(20)(백킹 층(20))과 결합된다. 유연한 백킹 층(20)은 예컨대 유리 섬유 직물 또는 폴리에틸렌 글리콜 테레프타레이트 매트를 포함할 수 있다. 수지질의 바인더(22)는 기술분야에서 알려진 바와 같이 에폭시드 물질과 같은 임의의 적절한 바인더 물질일 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 절연 테이프(16)는, 하프 래핑된 채로, 인접된 채로 또는 임의의 다른 적절한 방식으로 적절한 전도체를 중심으로 적용될 수 있다. 일반적으로, 절연 테이프(16)의 다중 층들은, 고전압 코일들에 대해 일반적으로 사용되고 있는 16개 또는 그 초과의 층들을 갖는 베이켈라이즈드 코일(14)을 중심으로 감싸진다. 층들의 개수는, 발전기의 전력에 따라, 그리고 전기적으로 절연시키기 위한 그리고 열을 전도시키기 위한 절연체의 능력들 둘 다에서 상기 절연체의 효과에 따라 감소될 수 있다. 그 이후, 절연 테이프(16)는, 상기 절연 테이프(16)의 전체 특성들 중 많은 특성들을 개선시키기 위해 일반적으로 수지로 함침된다. 일 실시예에서, 함침은, 진공 압력 함침(VPI) 또는 글로벌 진공 압력 함침(GVPI)에 의해 수행된다.
본 발명의 절연 테이프들은 수지 함침 동안 상기 절연 테이프들 내부의 함침 수지의 흐름을 크게 개선시킨다. 이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 양상에 따라, 개선된 절연 테이프, 예컨대 절연 테이프(16)의 실시예가 도시된다. 절연 테이프(16)는 적어도, 절연 층(18)과 상기 절연 층(18) 내부에 형성된 복수의 이격된 어퍼처들(26)을 포함한다. 어퍼처들은 특정 애플리케이션에 대해 적절한 바와 같은 임의의 크기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 어퍼처들(26)은 전기장 스트레스에 대해 필요한 강건성을 제공하기 위하여 크기결정된다. 특정 실시예에서, 어퍼처들(26)은 10 마이크론(10μ) 또는 그 미만의 최대 치수를 갖는다. 예컨대, 일 실시예에서, 어퍼처들(26)은, 운모 시트의 구조적 및 전기적 무결성을 유지시키기 위해 그리고 수지를 이용한 개선된 함침을 허용하기 위해 10 마이크론(10μ) 또는 그 미만의 (도 2에 도시된 바와 같은) 지름(D)을 갖는다.
부가하여, 어퍼처들(26)의 깊이가, 원하는 대로 운모 펑크(puncture)를 방지하도록 또는 운모 펑크를 부추기도록 또한 제어될 수 있음이 인정된다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 실시예들 중 임의의 실시예에서, 어퍼처들의 깊이는, 어퍼처들(26)이 절연 층(18) 또는 백킹 층(20) 중 단 한 개만을 통과해 원하는 정도까지 부분적으로 또는 완전히 연장되도록 제어될 수 있다. 추가의 실시예들에서, 어퍼처들(26)은 절연 층(18)과 백킹 층(20) 둘 다에서 형성될 수 있지만, 절연 층(18) 및/또는 백킹 층(20) 둘 다를 완전히 통과해 연장되는 깊이를 갖는 어퍼처들(26)은 없다. 다른 실시예들에서, 어퍼처들(26)은 절연 층(18)과 백킹 층(20) 둘 다를 통과해 연장된다. 그러나, 후자의 실시예에서, 어퍼처들(26)은 지름이 충분히 작을 필요가 있다는 것과, 그러한 시스템이 적절하게 기능하도록 하기 위해 비교적 낮은 점도 함침 수지가 활용될 필요가 있다는 것이 인정된다.
부가하여, 어퍼처들(26)은, 절연 테이프(16)를 통한 수지의 개선된 흐름을 허용하기 위한 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 어퍼처들(26)은, 또한 도 2에서 도시된 바와 같이 비교적 둥근 형상을 갖는다. 비교적 둥근 형상은, 절연 테이프(16) 내에 수지의 개선된 투과성을 제공하는 것을 돕는다. 도 3에 도시된 바와 같은 다른 실시예에서, 어퍼처들(26)은 실질상 타원형 또는 가늘고 긴 형상을 갖는다. 도면들에 도시된 바와 같은 어퍼처들(26)의 크기가 반드시 스케일링되는 것이 아니라, 명확성의 목적들을 위해 확대됨이 주의된다.
추가로, 어퍼처들(26)은, 절연 테이프(16)의 길이방향 축(28)에 대해 임의의 원하는 배향을 가질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 적어도 어퍼처들(26)의 일부분은 절연 테이프(16)의 길이방향 축(28)에 병렬로 배향된다. 도 4에 도시된 바와 같은 다른 실시예에서, 어퍼처들(26)은 절연 테이프(16)의 길이방향 축(28)에 대해 각이 진 포지션으로, 예컨대 45도 각도로 배향될 수 있다. 어퍼처들(26)은 절연 테이프(16)의 임의의 적절한 표면 영역을 커버할 수 있다.
절연 테이프(16)의 전기적 세기 및 구조적 세기를 유지시키면서, 절연 테이프(16) 안으로의 함침 수지의 흐름을 개선시키는 것을 도울 임의의 적절한 패턴으로 어퍼처들(26)이 절연 테이프(16) 내에 제공될 수 있다. 도 5a-도 5e는 절연 테이프(16)에 대한 어퍼처들(26)의 예시적 패터닝을 예시한다. 예컨대 도 5a에 도시된 바와 같이, 어퍼처들(26)은, 대각선 패턴(30)으로 절연 테이프(16) 내에서 형성될 수 있고, 이때 어퍼처들(26)의 최장 치수는 절연 테이프(16)의 길이방향 축(28)에 병렬로 배향된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 어퍼처들(26)은, 대각선 패턴(32)으로 절연 테이프(16) 내에서 형성될 수 있고, 이때 어퍼처들(26)의 최장 치수는 절연 테이프(16)의 길이방향 축(28)에 비스듬히, 예컨대 45°로 배향된다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 어퍼처들(26)은 절연 테이프(16) 전체에 걸쳐서 지그재그(zigzag) 패턴(34)으로 형성될 수 있다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 어퍼처들(26)은, 절연 테이프(16)의 단단한 오버래핑이 엣징(edging)(36)을 사용하여 감겨짐 내에서 절연 테이프(16)의 각각의 층 내에 어퍼처들(26)을 제공하도록, 엣징(36)(테이프(16)의 에지를 따라서 형성된 어퍼처들)을 포함할 수 있다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 절연 테이프(16)는 또한 센터링(38)(centering)을 포함할 수 있고, 상기 센터링(38)은 하프-랩 래핑의 더 큰 장점을 취할 것이다. 대안적으로, 어퍼처들(26)은, 함침 수지에 대한 절연 테이프(16)의 투과성을 증가시키기 위한 임의의 다른 원하는 어레인지먼트(arrangement) ― 이에 제한되지는 않지만, 그리드들 및 밴딩(banding)을 포함함 ― 로 배치될 수 있다. 다양한 타입들의 패터닝은 상호 배타적이지 않고 그리고 서로 결합될 수 있다.
절연 테이프(16)가 절연 층(18) 및 백킹 층(20)을 포함할 때 본 명세서에서 설명되는 어퍼처들(26)이 절연 층(18) 및 백킹 층(20) 중 하나에 또는 둘 다에 포함될 수 있음이 추가로 고려된다. 일 실시예에서, 어퍼처들(26)은 예컨대 도 2에 도시되었던 바와 같이 절연 층(18) 내에만 형성되고 그리고 백킹 층(20) 내에 형성되지 않는다. 다른 실시예에서, 어퍼처들(26)은 백킹 층(20) 내에만 형성되지만, 절연 층(18) 내에 형성되지 않는다. 또 다른 실시예에서, 어퍼처들(26)은 절연 층(18) 및 백킹 층(20) 안으로 형성된다. 어퍼처들(26)이 절연 층(18)과 백킹 층(20) 둘 다에서 형성될 때, 절연 층(18) 내의 어퍼처들(26a)과 백킹 층(20) 내의 어퍼처들(26b)은 임의의 적절한 구성으로 서로에 대해 배향될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 절연 층(18)의 어퍼처들(26a)과 백킹 층(20)의 어퍼처들(26b)은 실질상 수직 평면에서 서로 정렬된다. 도 7에 도시된 바와 같은 대안적 실시예에서, 절연 층(18)의 어퍼처들(26a)과 백킹 층(20)의 어퍼처들(26b)은 실질상 수직 평면에서 서로 오정렬될 수 있다.
본 발명이 절연 층 및 백킹 물질을 갖는 절연 테이프들로 제한되지 않음이 인정된다. 도 8에 도시된 바와 같은 본 발명의 특정 양상들에서, 절연 층(16)은 백킹 층(20) 없이 독립형의 단일 층, 즉 구조적으로 안정된 시트(40)(sheet)로서 제공될 수 있다. 구조적으로 안정된 시트(40)는 위에서 설명된 임의의 실시예에서와 같이 상기 구조적으로 안정된 시트(40) 내부에 형성된 복수의 어퍼처들(26)을 가질 수 있다. 시트(40)는 운모로부터 또는 임의의 다른 적절한 절연 물질로부터 형성될 수 있고, 그리고 본 명세서에서 설명된 바와 같이 높은 열전도율 물질들을 포함할 수 있거나 또는 포함하지 않을 수 있다. 선택적으로, 어퍼처들(26)이 시트(40) 내에 형성된 이후, 시트(40)는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 백킹 물질(어퍼처들을 갖거나 또는 어퍼처들이 없음), 예컨대 백킹 층(20)과 결합될 수 있고 그리고 액체 수지질의 바인더에 의해 상기 백킹 물질에 부착될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 본 명세서에서 설명된 임의의 실시예에서 절연 물질을 제조하는 방법이 제공된다. 절연 물질은 위에서 설명된 바와 같은 절연 테이프(16) 또는 구조적으로 안정된 운모 시트(40)를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 절연 물질 내에 복수의 어퍼처들(26)을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 어퍼처들(26)은 미리결정된 지름 및 깊이를 갖는다. 상기 형성하는 단계는, 기술분야에서 알려진 임의의 적절한 방법에 의해, 예컨대 기계적 스파이크 롤러들 또는 레이저 드릴링에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 형성하는 단계는 레이저 드릴링에 의해 수행된다. 레이저 드릴링은, 어퍼처들(26)을 생성하기 위해 절연 물질로부터 물질을 제거한다. 레이저 파장 및 강도는, 기술분야의 당업자에 의해 인정될 바와 같이 제어된 방식으로 절연 물질과 상호작용하기 위하여 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 레이저 드릴링은 절연 물질, 예컨대 절연 테이프(16) 또는 구조적으로 안정된 시트(40)로부터 컴포넌트(component)들(예컨대, 제1 컴포넌트)을, 다른 컴포넌트들(예컨대, 제2 컴포넌트)을 실질상 온전한 채로 남겨두면서, 선택적으로 제거할 수 있다. 하나의 컴포넌트, 예컨대 질화붕소와 같은 HTC 물질의 물질 반사율이 운모와 같은 제2 컴포넌트의 물질 반사율과 대단히 상이할 수 있기 때문에 레이저의 파장이 상당한 효과를 가질 것임이 이해된다. 따라서, 물질을 증발시키거나/제거하기 위해 요구되는 전력은 예컨대 HTC 물질들 및 운모에 대해 매우 상이할 수 있다. 그와 같이, 본 명세서에서 설명되는 방법들은, 컴포넌트들, 예컨대 운모 및 HTC 물질들 중 하나를 기판, 예컨대 절연 테이프(16) 또는 구조적으로 안정된 시트(40)로부터, 다른 컴포넌트, 예컨대 운모 및 HTC 물질들 중 다른 하나를 실질상 온전한 채로 남겨두면서, 선택적으로 제거하는 단계를 선택적으로 포함한다.
레이저 드릴링은 예컨대 퍼커션(percussion) 드릴링 또는 트레판닝(trepanning)에 의해 수행될 수 있다. 퍼커션 드릴링에서, 빔(beam)이 기판, 예컨대 절연 테이프(16) 상에, 형성될 어퍼처의 지름과 동등한 스폿(spot)으로 포커싱(focusing)된다. 트레판닝에서, 레이저는, 원하는 지름 및 깊이를 갖는 어퍼처들을 형성하기 위해 기판에 대해 이동될 수 있다. 적절한 레이저 드릴링 장비는, 이에 제한되지는 않지만 뉴저지주 위코프의 U.S. Laser Corp.를 포함하는 다양한 소스들로부터 이용가능하다.
도 9에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 레이저 소스(44)로부터의 빔(42)이 절연 물질(예컨대, 절연 테이프(16)) 상에 지향되고, 그리고 절연 테이프(16)가 고정 포지션에서 유지되는 동안, 복수의 어퍼처들(26)이 절연 테이프(16) 내에 형성된다. 도 10에 도시된 바와 같은 다른 실시예에서, 절연 물질은, 절연 물질의 연속 소스를 제공하기 위해 컨베이어를 따라서 전달되고, 그리고 절연 물질이 레이저 소스(44)를 지나서 전달되기 때문에 어퍼처들(26)은 절연 물질 내에 형성된다. 예컨대, 일 실시예에서, 절연 테이프(16)의 스트립을 분배(dispensing)하기 위한 공급 소스를 형성하는, 절연 물질, 예컨대 절연 테이프(16)의 롤(46)이 제공된다. 롤(46)에서 멀리 절연 테이프(16)를 레이저 소스(44) 쪽으로 안내하기 위해 하나 또는 그 초과의 롤러(roller)들(48)이 제공될 수 있다. 다른 실시예(미도시)에서, 절연 층(18) 및 백킹 층(20)은, 별도의 롤들에서 멀리 별도로 전달되고, 그리고 레이저 소스(44)의 레이저 빔(42)과 어느 쪽이든 층의 접촉 이전에 또는 그 이후에 서로 조인(join)될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 어퍼처들이 절연 층(18) 또는 백킹 층(20) 중 어느 쪽 한 쪽에 개별적으로 또는 둘 다에서 부분적으로 또는 완전히 형성되도록 어퍼처들의 깊이는 제어될 수 있다. 어퍼처들의 깊이는 또한, 운모 펑크를 방지하기 위하여 또는 운모 펑크를 부추기기 위해 제어될 수 있다. 절연 물질이 레이저 소스(44)를 지나서 전달될 때, 더욱 강력한 레이저 소스들이 절연 물질의 스루풋 속도를 제한할 가능성이 높을 1㎑만큼의 반복 레이트(rate)를 가질 가능성이 있다는 것이 일반적으로 이해된다.
레이저 소스(44)는 광섬유 레이저 소스, 또는 기술분야에서 알려진 임의의 다른 적절한 레이저 소스일 수 있다. 동작중에, 레이저 소스(44)는, 절연 테이프(16) 내에 복수의 어퍼처들(26)을 형성하기 위해 절연 테이프(16) 쪽으로 빔을 지향시킨다. 레이저 소스의 파장, 펄스 폭 및 펄스 주파수를 따른 절연 물질의 이동 속도가 필요한 대로 가변되어, 절연 물질 내에 원하는 치수 ― 이에 제한되지는 않지만, 원하는 형상, 높이, 폭, 및/또는 깊이를 포함함 ― 를 갖는 어퍼처들(26)이 형성될 수 있다는 것을 기술분야의 당업자가 이해할 것임이 인정된다. 둥근 형상을 갖는 어퍼처들(26)을 달성하기 위해, 도 11에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(42)을 레이저 소스(44)로부터 절연 물질, 예컨대 절연 테이프(16) 상으로 안내하기 위해 그리고 절연 테이프(16)가 레이저 소스(44)를 지나서 전달될 때 둥근 형상을 형성하기 위해 이동가능한 미러(50)가 제공될 수 있다.
위의 고려들에 부가하여, 기술분야의 당업자는, 회절량, 특정 레이저 소스의 선택, 및 레이저 소스(44)의 선택된 파장이 어퍼처들(26)의 개수 및 치수들에 영향을 끼칠 것임을 인정할 것이다. 추가로, 어퍼처들(26)의 개수 및 치수들은, 레이저 소스(44)의 빔 형상, 및 원하는 빔 형상을 생성하는 것을 돕는 임의의 구조물들에 의해 영향받을 수 있다. 레이저 소스(44) 및 그러한 다른 구조물들은, 기술분야에서 알려진 다양한 구조물들을 이용하여 원형, 타원체 및 톱 햇(top hat) 강도 프로파일들을 제공하도록 맞추어질 수 있다. 예컨대, 가우시안 빔이 아니라, 엑시머 레이저들로부터의 "천연" 빔 프로파일은 일반적으로 프로파일이 "톱-햇"이다. 일 실시예에서, 레이저 빔(42)은 공간 필터링을 겪고, 그리고 그 이후, 단일 스폿 또는 어퍼처를 만들기 위해 절연 물질 상에 포커싱된다. 최소 스폿 크기는 대략 레이저의 파장과 동일하지만, 이 최소치가 저하될수록 스폿이 가우시안 프로파일로부터 더 벗어난다. 다른 실시예에서, 단일 스폿의 위치는, 절연 물질, 예컨대 절연 테이프(16)를 이동시킴으로써, 또는 절연 물질 전체에 걸쳐 그리고 상기 절연 물질을 따라서 스캐닝하는 플랩핑(flapping) 미러들을 통해 레이저 빔(42)을 이동시킴으로써 제어될 수 있다. 여전히 다른 실시예에서, 레이저 빔(42)이 선을 형성하기 위해 실린더형 렌즈(lens)를 통과해 지향되고, 상기 레이저 빔(42)은 그런 다음 절연 물질 상으로 지향될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 레이저 빔(42)은, 그 내부에 복수의 홀들을 갖는 마스크를 통과한다. 이러한 통과는 다수의 빔들을 생성하고, 상기 다수의 빔들은 렌즈를 이용하여 포커싱될 수 있어, 절연 물질, 예컨대 절연 테이프(16) 상에 복수의 홀들이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 본 명세서에서 설명된 바와 같은, 그 내부에 형성된 복수의 어퍼처들(26)을 갖는 절연 테이프(16)의 임의의 실시예를 이용하기 위한 방법이 있다. 상기 방법은, 전기 전도체 주위를 절연 테이프(16)로 감싸는 단계 및 함침 수지를 이용하여 상기 절연 테이프(16)를 함침하는 단계를 포함한다. 절연 테이프(16) 내의 복수의 어퍼처들(26)은, 절연 테이프(16)의 구조적 안정성 및 전기적 세기를 유지시키면서, 수지의 개선된 함침을 허용한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본 명세서에서 도시 및 설명되었지만, 그러한 실시예들이 예로서만 제공된다는 것이 명백할 것이다. 다수의 변형들, 변경들, 및 치환들이 본 명세서의 본 발명으로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서만 제한됨이 의도된다.

Claims (20)

  1. 전기 절연 층을 갖는 전기 절연 물질을 제조하는 방법으로서,
    상기 전기 절연 층에는 수지 함침을 위한 복수의 어퍼처(aperture)들이 형성되고, 상기 전기 절연 층은 제1 컴포넌트(component) 및 제2 컴포넌트를 포함하며,
    상기 방법은,
    상기 제1 컴포넌트의 제거에 의해서 상기 복수의 어퍼처들을 형성하기 위해, 상기 제2 컴포넌트를 온전한 채로 남겨두면서 상기 전기 절연 층으로부터 상기 제1 컴포넌트를 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는,
    전기 절연 물질을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 어퍼처들을 형성하기 위해 레이저 드릴링(laser drilling)이 이용되고,
    상기 제1 컴포넌트와 상기 제2 컴포넌트 사이의 반사율 차이가, 레이저의 파장에 따라 상기 제2 컴포넌트는 온전한 채로 남겨두면서 상기 전기 절연 층으로부터 상기 제1 컴포넌트를 선택적으로 제거시키는 것을 가능하게 하는,
    전기 절연 물질을 제조하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 절연 층은 운모 및 HTC(high thermal conductivity) 필러(filler)를 포함하는,
    전기 절연 물질을 제조하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기 절연 물질은 전기 절연 테이프(tape)를 포함하고,
    상기 전기 절연 테이프는 상기 전기 절연 층 및 상기 전기 절연 층에 결합된 백킹(backing) 층을 포함하며,
    상기 어퍼처들은 적어도 상기 전기 절연 층에 형성되는,
    전기 절연 물질을 제조하는 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 어퍼처들은 10 마이크론(micron) 또는 그 미만의 최대 치수를 갖는,
    전기 절연 물질을 제조하는 방법.
  6. 수지 함침을 위한 복수의 어퍼처들이 형성된 전기 절연 층을 갖는 전기 절연 물질로서,
    상기 어퍼처들은 제 1 항 또는 제 2 항의 방법에 의해서 형성되고, 그에 따라 상기 전기 절연 층의 제1 컴포넌트를 선택적으로 제거함으로써 형성된 빈 공간들에 상기 어퍼처들이 존재하는,
    전기 절연 물질.
  7. 수지 함침을 위한 복수의 어퍼처들이 형성된 전기 절연 층을 갖는 전기 절연 물질로서,
    상기 전기 절연 층은 운모 및 HTC(high thermal conductivity) 필러를 포함하고,
    상기 어퍼처들은 제 3 항의 방법에 의해서 형성되며, 그에 따라 상기 전기 절연 층의 제1 컴포넌트를 선택적으로 제거함으로써 형성된 빈 공간들에 상기 어퍼처들이 존재하는,
    전기 절연 물질.
  8. 전기 절연 테이프로서,
    백킹 층; 및
    상기 백킹 층에 결합된 전기 절연 층
    을 포함하고,
    적어도 상기 전기 절연 층은 수지 함침을 위해 형성된 복수의 어퍼처들을 포함하고,
    상기 어퍼처들은 제 1 항 또는 제 2 항의 방법에 의해서 형성되고, 그에 따라 상기 전기 절연 층의 제1 컴포넌트를 선택적으로 제거함으로써 형성된 빈 공간들에 상기 어퍼처들이 존재하는,
    전기 절연 테이프.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 백킹 층 또한 그 내부에 형성된 어퍼처들을 갖고,
    상기 전기 절연 층의 어퍼처들 및 상기 백킹 층의 어퍼처들은 수직 평면에서 서로 정렬되는,
    전기 절연 테이프.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 백킹 층 또한 그 내부에 형성된 어퍼처들을 갖고,
    상기 전기 절연 층의 어퍼처들 및 상기 백킹 층의 어퍼처들은 수직 평면에서 서로 오정렬되는,
    전기 절연 테이프.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 어퍼처들은 상기 절연 테이프의 길이방향 축에 병렬로 배향되는,
    전기 절연 테이프.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 어퍼처들은 상기 절연 테이프의 길이방향 축에 대해 비스듬히 배향되는,
    전기 절연 테이프.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 어퍼처들은 상기 절연 테이프 내에서 대각선 패턴(pattern) 또는 지그재그(zigzag) 구성 중 하나를 포함하는,
    전기 절연 테이프.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 어퍼처들은 상기 절연 테이프 내에서 열로 배향되는,
    전기 절연 테이프.
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