KR102033246B1 - 전기 전도성 하이브리드 중합체 재료 - Google Patents

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Abstract

본원에서는, 전기 전도성 하이브리드 중합체 재료(10)가 기술된다. 하이브리드 중합체 재료(10)는 0.01 중량% 내지 1 중량%의 탄소 나노입자(12), 1 중량% 내지 10 중량%의 전도성 중합체 재료(14), 1% 내지 20%의 금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유(16), 및 69 중량% 이상의 비전도성 중합체 베이스 재료(18)를 포함한다. 탄소 나노입자(12)는 탄소 나노튜브, 흑연 나노입자, 그래핀 나노입자 및/또는 풀러렌 나노입자일 수 있다. 전도성 중합체 재료(14)는 고유 전도성 중합체, 라디칼 중합체 또는 전기활성 중합체일 수 있다. 전기 전도성 섬유(16)는 스테인레스강 섬유, 금속 도금된 탄소 섬유 또는 금속 나노와이어일 수 있다. 비전도성 중합체 베이스 재료(18)는 -40℃ 내지 125℃의 온도에서 유연성인 재료, 또는 이 온도 범위에서 강성인 재료로부터 선택될 수 있다. 하이브리드 중합체 재료(10)는 전기 조립체 하우징의 와이어 케이블에 EMI 차폐를 제공하는 데에 사용될 수 있다.

Description

전기 전도성 하이브리드 중합체 재료 {AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE HYBRID POLYMER MATERIAL}
[관련 출원에 대한 상호 참조]
본 출원은 2017년 4월 18일에 출원된 U.S. 특허 출원 제15/490,249호에 대한우선권의 이익을 주장한다.
[발명의 기술 분야]
본 발명은 일반적으로 전기 전도성 중합체 재료, 더 구체적으로는 전기 전도성인 하이브리드 중합체 재료에 관한 것이다.
전도성 중합체 재료는 전자기 간섭 (EMI) 차폐, 라디오 주파수 간섭 (RFI) 차폐 및 정전기 방전 ESD 보호에서 금속 재료를 점점 더 대체하고 있다. 전형적으로, 금속 차폐물은 부품 수를 증가시키며, 조립하는 데에 추가적인 제조 단계를 필요로 하고, 최종 제품에 중량을 가중시킨다. EMI, RFI 및 EDS 차폐에 전도성 중합체를 사용하는 것은 중량 감소, 제조 단계 (및 그에 따른 비용)의 감소 및 더 큰 설계상의 자유를 제공한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 전도성 중합체(1)는 비전도성 중합체 매트릭스(3)에 매립된 금속 섬유 등의 전도성 충전제 재료(2)를 포함한다. 이러한 전도성 중합체는 우수한 면-통과(through-plane) 전기 전도성을 제공하나, 높은 표면 저항을 갖는다. 차폐 적용분야의 경우, 내부 전도성 충전제 재료로부터 전도성 중합체 재료의 표면에 연결되어 있는 지반(ground)으로 전하를 전달할 필요가 있는데, 높은 표면 저항은 이를 방해한다. 전도성 중합체 표면으로 저 저항 경로를 생성시키는 방법이 있기는 하지만, 그것은 제조 과정에 복잡성 및 그에 따른 비용을 가중시킨다.
또한, 전도성 충전제 입자들 사이의 낮은 상호연결률로 인해, 전도성 중합체의 전도 효율이 낮다. 도입된 금속의 양을 고려할 때, 저항 값은 실제 내부에 있는 금속의 양에 비해 여러 배 더 높다. 금속 충전제들의 상호연결을 향상시키는 것은 저항을 감소시키고, 복합재의 차폐 특성을 개선하게 된다. 충전제 사이의 이와 같은 상호연결을 향상시키면 또한 퍼콜레이션 역치(percolation threshold)를 감소시키거나, 또는 적절한 전도성을 달성하는 데에 필요한 어느 정도의 충전제를 감소시킨다.
배경기술 부분에서 논의된 주제는 그것이 단지 배경기술 부분에서 언급되었기 때문에 선행 기술인 것으로 추정되어서는 안된다. 마찬가지로, 배경기술 부분에서 언급되었거나 배경기술 부분의 주제와 연관된 문제가 선행 기술에서 이미 인식되어 있는 것으로 추정되어서는 안된다. 배경기술 부분의 주제는 단지 다른 접근법들을 나타내는 것이며, 그 자체가 또한 발명일 수 있다.
[발명의 개요]
본 발명의 일 실시양태에 따르면, 전기 전도성 하이브리드 중합체 재료가 제공된다. 하이브리드 중합체 재료는 0.01 중량% 내지 1 중량%의 탄소 나노입자, 1 중량% 내지 10 중량%의 전도성 중합체 재료, 1% 내지 20%의 금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유, 69 중량% 이상의 비전도성 중합체 재료를 포함한다.
탄소 나노입자는 탄소 나노튜브, 흑연 나노입자, 그래핀(graphene) 나노입자 및/또는 풀러렌(fullerene) 나노입자일 수 있다. 전도성 중합체 재료는 고유 전도성 중합체(inherently conductive polymer), 예컨대 폴리라닌, 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 3,4-에틸렌디옥시티오펜 폴리스티렌 술포네이트, 및 4,4-시클로펜타디티오펜, 라디칼 중합체 및/또는 전기활성 중합체일 수 있다. 금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유는 스테인레스강 섬유, 금속 도금된 탄소 섬유 및 금속 나노와이어일 수 있다.
비전도성 중합체 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및/또는 폴리비닐 클로라이드일 수 있다. 이러한 비전도성 중합체 재료로 제조된 하이브리드 중합체 재료는 -40℃ 내지 125℃의 온도에서 실질적으로 유연성이다. 이와 같은 하이브리드 중합체 재료는 하이브리드 중합체 재료에 의해 둘러싸인 와이어 케이블을 포함하는 와이어 케이블 조립체를 형성시키는 데에 사용될 수 있다.
비전도성 중합체 재료는 대안적으로 아크릴, 폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 및/또는 폴리아미드일 수 있다. 이러한 비전도성 중합체 재료로 제조된 하이브리드 중합체 재료는 -40℃ 내지 125℃의 온도에서 실질적으로 강성이다. 이와 같은 하이브리드 중합체 재료는 하이브리드 중합체 재료로 형성된 하우징을 포함하는 전기 조립체를 형성시키는 데에 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 따르면, 전기 전도성 하이브리드 중합체 재료가 제공된다. 하이브리드 중합체 재료는 본질적으로 0.01 중량% 내지 1 중량%의 탄소 나노입자, 1 중량% 내지 10 중량%의 전도성 중합체 재료, 1% 내지 20%의 금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유로 이루어지며, 나머지 중량 백분율은 비전도성 중합체 재료이다.
탄소 나노입자는 탄소 나노튜브, 흑연 나노입자, 그래핀 나노입자 및/또는 풀러렌 나노입자일 수 있다. 전도성 중합체 재료는 고유 전도성 중합체, 예컨대 폴리라닌, 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 3,4-에틸렌디옥시티오펜 폴리스티렌 술포네이트, 및 4,4-시클로펜타디티오펜, 라디칼 중합체 및/또는 전기활성 중합체일 수 있다. 금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유는 스테인레스강 섬유, 금속 도금된 탄소 섬유 및 금속 나노와이어일 수 있다.
비전도성 중합체 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및/또는 폴리비닐 클로라이드일 수 있다. 이러한 비전도성 중합체 재료로 제조된 하이브리드 중합체 재료는 -40℃ 내지 125℃의 온도에서 실질적으로 유연성이다. 이와 같은 하이브리드 중합체 재료는 하이브리드 중합체 재료에 의해 둘러싸인 와이어 케이블을 포함하는 와이어 케이블 조립체를 제조하는 데에 사용될 수 있다.
비전도성 중합체 재료는 대안적으로는 아크릴, 폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 및/또는 폴리아미드일 수 있다. 이러한 비전도성 중합체 재료로 제조된 하이브리드 중합체 재료는 -40℃ 내지 125℃의 온도에서 실질적으로 강성이다. 이와 같은 하이브리드 중합체 재료는 하이브리드 중합체 재료로 형성된 하우징을 포함하는 전기 조립체를 제조하는 데에 사용될 수 있다.
지금부터, 첨부 도면을 참조한 예를 통해 본 발명을 기술할 것이며, 여기서:
도 1은 선행 기술에 따른 전도성 중합체 재료의 확대 단면도이며;
도 2는 본 발명의 실시양태에 따른 하이브리드 전도성 중합체 재료의 확대 단면도이고;
도 3은 본 발명의 실시양태에 따른 도 2의 하이브리드 전도성 중합체 재료로 형성된 차폐물을 갖는 차폐된 와이어 케이블 조립체의 절단도이며;
도 4는 본 발명의 실시양태에 따른 도 2의 하이브리드 전도성 중합체 재료로 형성된 하우징을 포함하는 전기 조립체의 분해 사시도이다.
본원에서는, 이하 하이브리드 전도성 중합체로 지칭되는 전기 전도성 하이브리드 중합체 재료가 제공된다. 하이브리드 전도성 중합체는 비전도성 중합체 베이스 재료, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 또는 폴리아미드, 전도성 중합체 재료, 예를 들면 고유 전도성 중합체, 라디칼 중합체 또는 전기활성 중합체, 그리고 전도성 충전제 입자, 예컨대 탄소 나노튜브, 흑연 나노입자, 그래핀 나노입자, 풀러렌 나노입자, 스테인레스강 섬유, 금속 나노와이어, 또는 금속 도금된 탄소 섬유, 예를 들면 구리 도금된 탄소 섬유 또는 니켈 도금된 탄소 섬유의 조합물이다.
전도성 충전제에 더한 전도성 중합체의 조합물은 전도성 충전제 입자에 의해 형성되는 네트워크 사이의 연결 향상을 가능케 한다. 전도성 충전제 입자들의 배향은 중합체 매트릭스 전체에 걸쳐 전하를 전달하도록 무작위이고 접촉되어야 한다. 전도성 중합체를 첨가함으로써, 전도성 중합체가 전도성 충전제 입자들 사이의 간극을 가교하여, 하이브리드 전도성 중합체에 전도성 영역의 "핫 스폿(hot spot)" 없이 훨씬 더 균질한 전도성을 제공한다.
하이브리드 전도성 중합체에 전도성 중합체가 포함됨으로 인해, 표면 저항은 감소된다. 도 1에 나타낸 것과 같은 선행 기술 전도성 중합체에서는, 비전도성 중합체 풍부 층이 전도성 충전제 입자들을 격리시키면서 전도성 중합체의 표면을 덮고 있다. 대조적으로, 하이브리드 전도성 중합체에서의 전도성 중합체는 절연 층을 통해 전도성 충전제 입자로의 표면 접촉을 제공한다.
이와 같은 하이브리드 전도성 중합체 재료는 ESD/정전기방지 보호 또는 EMI/RFI 차폐 적용분야에 사용될 수 있다. 컨트롤러, 모듈 및 커넥터 등의 전기 부품의 EMI 차폐는 하이브리드 전도성 중합체 재료로 형성된 하우징을 사용하여 수행될 수 있다. 많은 적용분야의 금속 차폐물이 성형 하이브리드 전도성 중합체 부품으로 대체될 수 있다. 하이브리드 전도성 중합체 재료는 와이어 케이블 상으로 압출되어, 호일 및 편조 EMI 차폐물을 대체할 수도 있다.
도 2는 0.01 중량% 내지 1 중량%의 탄소 나노입자(12), 1 중량% 내지 10 중량%의 전도성 중합체 재료(14), 1% 내지 20%의 금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유(16), 및 69 중량% 이상의 비전도성 중합체 베이스 재료(18)를 포함하는 성분조합을 갖는 하이브리드 전도성 중합체(10)의 한 가지 비-제한적인 예를 도시한다. 하이브리드 전도성 중합체(10)는 하이브리드 전도성 중합체(10)의 전기적 특징에 영향을 주지 않는 첨가제, 예컨대 착색제, 난연제 및 보강 충전제를 함유할 수도 있다.
탄소 나노입자(12)는 탄소 나노튜브, 흑연 나노입자, 그래핀 나노입자 및/또는 풀러렌 나노입자일 수 있다. 탄소 나노입자(12)는 전형적으로 1 내지 100 나노미터 범위의 나노규모에 속하는 적어도 하나의 치수를 갖는다. 나노입자의 또 다른 치수는 나노규모를 벗어날 수 있다는 것도 이해되어야 한다. 예를 들어, 나노입자는 나노규모 내의 직경 및 나노규모에 비해 더 긴 길이를 갖는 탄소 나노튜브일 수 있다.
전도성 중합체 재료(14)는 고유 전도성 중합체, 예컨대 폴리라닌 3, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜 3 (PEDOT), 3,4-에틸렌디옥시티오펜 3 폴리스티렌 술포네이트 (PEDOT:PSS), 및 4,4-시클로펜타디티오펜 (CPDT)일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전도성 중합체 재료(14)는 전기 전도성 라디칼 중합체 예컨대 폴리(2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시-4-일 메타크릴레이트 (PTMA)일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전도성 중합체 재료(14)는 전기활성 중합체일 수도 있다. 본원에서 사용될 때, 전기활성 중합체는 중합체 사슬의 백본에 도입되어 있는 나노금속을 포함하는 폴리에틸렌 또는 폴리아미드 등의 비전도성 중합체이다.
금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유(16)는 스테인레스강 섬유, 금속 나노와이어 또는 금속 도금된 탄소 섬유, 예를 들면 구리 도금된 탄소 섬유 또는 니켈 도금된 탄소 섬유일 수 있다. 이러한 전기 전도성 섬유(16)는 나노규모일 수 있는데, 다시 말하자면 1 내지 100 나노미터 범위에 속하는 적어도 하나의 치수를 가질 수 있거나, 또는 그것이 마이크로규모일 수 있는데, 다시 말하자면 1 내지 100 마이크로미터 범위에 속하는 적어도 하나의 치수를 가질 수 있다.
탄소 나노입자(12), 특히 탄소 나노튜브는, 퍼콜레이션 역치를 급격하게 감소시키고 높은 주파수에서 효과적인 EMI 차폐를 제공하는 큰 종횡비를 갖는다. 금속성 섬유(16)는 높고 낮은 주파수 모두에서 효과적인 EMI 차폐를 제공한다. 전도성 중합체 재료(14)는 탄소 나노입자(12)와 금속성 섬유(16) 사이의 간극을 가교함으로써, 더 균질한 전도성을 생성시키고, 전체적 전기 저항을 낮추며, 기재의 표면 저항을 낮추어 EMI 차폐 유효성을 증가시킨다.
비전도성 중합체 베이스 재료(18)는 하이브리드 전도성 중합체(10)의 적용분야를 기준으로 선택된다. 예를 들어, 비전도성 중합체 베이스 재료(18)는 표준 자동차 작동 범위 이내의 온도, 즉 -40℃ 내지 125℃에서 실질적으로 유연성인 재료, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및/또는 폴리비닐 클로라이드일 수 있다. 이러한 비전도성 중합체 베이스 재료로 제조되는 하이브리드 전도성 중합체(10)는 또한 표준 자동차 작동 범위 이내의 온도에서 유연성이어서, 도 3에 도시되어 있는 바와 같은 차폐 케이블 조립체 내 차폐물(106)을 제공하는 데에 사용될 수 있다.
도 3에 나타낸 차폐 와이어 케이블 조립체(100)의 비-제한적인 예는 구리, 알루미늄 또는 탄소 나노튜브 등의 전기 전도성 재료로 형성된 몇 개의 와이어 스탠드(wire stand)(102)를 포함한다. 와이어 스탠드는 와이어 스탠드 상으로 압출된 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및/또는 폴리비닐 클로라이드 등의 비전도성 (유전성) 중합체로 형성된 내부 절연 층(104)에 의해 둘러싸여 있다. 차폐물(106)은 내부 절연 층(104) 상에 선행 단락에서 기술한 하이브리드 전도성 중합체(10)를 압출함으로써 그것이 내부 절연 층(104)을 둘러싸도록 하는 것에 의해 형성된다. 차폐된 와이어 케이블 조립체(100)는 차폐물(106) 상으로 압출된 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및/또는 폴리비닐 클로라이드 등의 비전도성 (유전성) 중합체로 형성된 외부 절연 층(108)을 포함할 수도 있으나, 그에 의해 제한되는 것은 아니다.
다른 적용분야의 경우, 비전도성 중합체 재료는 대안적으로 표준 자동차 작동 범위 이내의 온도, 즉 -40℃ 내지 125℃에서 실질적으로 강성인 재료, 예컨대 아크릴, 폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 및/또는 폴리아미드일 수 있다. 이러한 비전도성 중합체 베이스 재료로 제조되는 하이브리드 전도성 중합체(10) 역시 표준 자동차 작동 범위 이내의 온도에서 강성이어서, 도 4에 도시되어 있는 바와 같은 전기 조립체용 전자기 차폐 하우징에 사용될 수 있다.
도 4에 나타낸 전기 조립체(200)의 비-제한적인 예는 복수의 전기 부품(204) 및 터미널들(206)이 결합되어 있는 인쇄 회로 기판 (PCB)(202)을 포함한다. PCB(202), 전기 부품(204) 및 터미널(206)은, 예를 들어 사출 성형 과정에 의해, 선행 단락에서 기술된 하이브리드 전도성 중합체(10)로 형성된 하우징(208) 내에 수용된다. 전기 조립체(200)는 또한 터미널(206)과 인터페이싱되는 커넥터(210)를 포함한다. 커넥터(210)의 커넥터 하우징(212) 역시 이전 단락에서 기술된 하이브리드 전도성 중합체(10)로 형성될 수 있다.
이에 따라, 하이브리드 전도성 중합체(10)가 제공된다. 탄소 나노입자(12)를 포함되어 퍼콜레이션 역치를 낮추어 높은 주파수에서 효과적인 EMI 차폐를 제공하는 한편, 금속성 섬유(16)가 포함되어 높고 낮은 주파수 모두에서 효과적인 EMI 차폐를 제공한다. 전도성 중합체 재료(14)는 탄소 나노입자(12)와 금속성 섬유(16) 사이의 간극을 가교함으로써, 더 균질한 전도성을 생성시키고, 전체적 전기 저항을 낮추며, 기재의 표면 저항을 낮추어 EMI 차폐 유효성을 증가시킨다. 생성되는 하이브리드 전도성 중합체(10)는, 비전도성 베이스 중합체의 선택에 따라, 와이어 케이블을 차폐하는 데에 사용하기에 적합한 유연성 재료가 되거나, 또는 컨트롤러, 모듈 및 커넥터 등의 전기 조립체용 차폐 하우징을 제조하는 데에 적합한 강성 재료가 될 수 있다.
본원에서 기술된 예들이 자동차 적용분야에 관한 것이기는 하지만, 이와 같은 하이브리드 전도성 중합체(10)는 전기 전도성 특성이 유익한 다른 적용분야에서 사용될 수도 있다.
본 발명이 그의 바람직한 실시양태의 관점에서 기술되었지만, 본 발명은 그에 제한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에서 제시되는 정도로만 제한되는 것으로 의도된다. 또한, 첫 번째, 두 번째 등의 용어의 사용은 어떠한 중요성의 순서를 나타내는 것이 아니라, 첫 번째, 두 번째 등의 용어는 하나의 요소를 또 다른 것으로부터 구별하기 위해 사용된다. 또한, 단수 표현의 사용은 양의 제한을 나타내는 것이 아니라, 적어도 하나의 언급된 항목의 존재를 나타내는 것이다. 또한, 방향에 관한 용어, 예컨대 상위, 하위 등은 임의의 특정 방향을 나타내는 것이 아니라, 상위, 하위 등의 용어는 하나의 요소를 또 다른 것으로부터 구별하고 여러 요소들 사이의 관계를 위치적으로 확립시키는 데에 사용된 것이다.

Claims (20)

  1. 0.01 중량% 내지 0.2 중량%의 탄소 나노입자(12);
    1 중량% 내지 10 중량%의 전도성 중합체 재료(14);
    11 중량% 내지 20 중량%의 금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유(16); 및
    69.8 중량% 이상 87.99 중량% 이하의 비전도성 중합체 재료(18)
    를 포함하고,
    탄소 나노입자(12)의 배향들은 전기 전도성 하이브리드 중합체 재료(10) 전체에 걸쳐 전하를 전달하도록 서로 접촉되고 무작위인, 전기 전도성 하이브리드 중합체 재료(10).
  2. 제1항에 있어서, 탄소 나노입자(12)가 탄소 나노튜브, 흑연 나노입자, 그래핀 나노입자 및 풀러렌 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 하이브리드 중합체 재료(10).
  3. 제1항에 있어서, 전도성 중합체 재료(14)가 고유 전도성 중합체, 라디칼 중합체 및 전기활성 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 하이브리드 중합체 재료(10).
  4. 제3항에 있어서, 고유 전도성 중합체가 폴리라닌, 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 3,4-에틸렌디옥시티오펜 폴리스티렌 술포네이트 및 4,4-시클로펜타디티오펜으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 하이브리드 중합체 재료(10).
  5. 제1항에 있어서, 금속성 표면을 갖는 전기 전도성 섬유(16)가 스테인레스강 섬유, 금속 도금된 탄소 섬유 및 금속 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 하이브리드 중합체 재료(10).
  6. 제1항에 있어서, 비전도성 중합체 재료(18)가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리비닐 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 하이브리드 중합체 재료(10).
  7. 삭제
  8. 와이어 케이블(102); 및
    와이어 케이블(102)을 둘러싸고 있는 제6항에 따른 하이브리드 중합체 재료(10)
    를 포함하는 와이어 케이블 조립체(100).
  9. 제1항에 있어서, 비전도성 중합체 재료(18)가 아크릴, 폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 및 폴리아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 하이브리드 중합체 재료(10).
  10. 삭제
  11. 제9항에 따른 하이브리드 중합체 재료(10)로 형성된 하우징(208)을 포함하는 전기 조립체(200).
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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  19. 삭제
  20. 삭제
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