KR102110412B1 - 벤팅 어셈블리 및 미세 다공 멤브레인 복합체 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의해 포함되는 기술은 일반적으로 음향 벤팅 어셈블리들에 사용될 수 있는 멤브레인 복합체들에 관한 것이다. 본원에 개시되는 기술의 일 실시예에서, 벤팅 매체 복합체는 복합체를 형성하기 위해 미세 다공 멤브레인층 및 미세 다공 멤브레인층 상의 코팅을 갖는다. 복합체의 기초 중량은 코팅 없는 미세 다공 멤브레인층의 기초 중량보다 적어도 대략 0.5% 더 높다. 일부 실시예들에서, 복합체는 멤브레인만의 상대물보다 감소된 삽입 손실을 갖는다.

Description

벤팅 어셈블리 및 미세 다공 멤브레인 복합체{VENTING ASSEMBLY AND MICROPOROUS MEMBRANE COMPOSITE}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 모든 국가들의 지정을 위한 출원인으로서 미국 국가 기업인 Donaldson Company, Inc. 그리고 모든 국가들의 지정을 위한 발명자로서 미국 시민인 Jacob Sanders의 이름으로 2013년 9월 20일자로 PCT 국제 특허 출원으로 출원되어 있고, 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/839,046호 및 2012년 9월 24일자로 출원된 미국 가출원 제61/705,090호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 전체가 참조로 본원에 포함된다.

기술분야

본원에 설명되는 기술은 일반적으로 복합체에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본원에 설명되는 기술은 가스 투과성 벤팅(venting) 어셈블리에 사용되는 미세 다공 멤브레인 복합체에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 기술은 음향 변환기를 커버하는데 사용되는 벤팅 어셈블리에 관한 것이다.

다양한 전자 장치들의 경우, 물에 노출되는 것은 발생할 수 있는 침수 피해로 인해 우려가 된다. 이러한 이유로, 많은 기업들은 소유성 및 소수성을 제공하는 방수 제품 설계들로 이행하고 있다. 그렇게 해서, 그러한 제품들은 또한 디바이스에 존재하는 마이크 및 스피커에 대해 맑은 음향을 유지한다. 제조자들은 자신들의 제품을 IPx7의 최저치로 등급을 매기길 원한다. 이러한 등급은 제조자들의 제품이 ½ 동안 1미터의 깊이에 잠겨서 손상 없이 견뎌낼 수 있음을 명시한다.

필터 또는 벤트는 전자 디바이스가 압력 균등화를 가능하게 하여, 변환기들이 적절하게 기능하는 것을 가능하게 하는 데에 필요하다.

확장된 폴리테트라플루오로에틸렌(eP TFE)을 포함하는 필터는 마이크 및 스피커에 필요한 침수 보호를 제공하는데 이용 가능하다. 음향 벤트들은 물 및 먼지로부터 스피커 및 마이크를 보호하는데 사용된다. 흔히 이러한 벤트는 확장된 PTFE 멤브레인으로 구성된다. PTFE 멤브레인은 또한 음향 신호가 최소 손실로 통과하는 것을 가능하게 하면서, 물 및/또는 먼지가 마이크 또는 스피커에 도달하는 것을 방지한다.

PTFE 멤브레인들이 사용되는 이유는, 낮은 기초 중량 및 높은 가요성을 갖도록 제조될 수 있기 때문이다. 이러한 특성은 PTFE 멤브레인들이 액체 침입을 허용하지 않으면서 음향 신호에 의해 여기될 때 손쉽게 진동하고 음향 신호를 다른 측으로 송신하는 것을 가능하게 한다. 게다가, PTFE 멤브레인들은 가스 투과성이어서, 온도 변화로 인한 차압의 균등화뿐만 아니라 응축으로 인한 수증기의 배출을 가능하게 한다. PTFE 멤브레인은 또한 높은 먼지 효율을 갖고, 임의의 액체 물을 통과시키지 않으면서 높은 물 차압을 견뎌낼 수 있다.

통상적으로, 그러한 벤트들은 변환기를 커버하는 전자 하우징에 고정되는 디스크의 형태를 취한다. 산업은 음향 성능, 공기 흐름 및 필터링 능력에 대한 표준을 유지하면서 필터 색상과 같은 미학적 목적을 달성하는 것을 강조해왔다. 게다가, 통상적 이해는 예를 들어, PTFE의 코팅 또는 적층으로 인한 PTFE 멤브레인의 기초 중량의 증가 그리고 가요성의 감소가 벤트의 음향 성능 감소를 야기한다고 구술한다. 그러한 통상적 이해는, 그러한 재료들의 음향 성능 감소를 입증하는 데이터를 제공했던 송신 손실 테스트에 의해 뒷받침되었다.

본 발명에 의해 포함되는 기술은 일반적으로 음향 벤팅 어셈블리들에 사용될 수 있는 멤브레인 복합체들에 관한 것이다. 본원에 개시되는 기술의 일 실시예에서, 벤팅 매체 복합체는 복합체를 형성하기 위해 미세 다공 멤브레인층 및 미세 다공 멤브레인층 상의 코팅을 갖는다. 복합체의 기초 중량은 코팅 없는 미세 다공 멤브레인층의 기초 중량보다 적어도 대략 0.5% 더 높다.

본원에 개시되는 기술의 다른 실시예에서, 벤팅 매체를 제조하는 방법이 개시된다. 확장된 PTFE 멤브레인이 제공되고 코팅 용액이 형성된다. 멤브레인은 멤브레인 상에 코팅을 형성하기 위해 코팅 용액으로 코팅된다. 벤팅 매체 복합체의 기초 중량은 코팅 없는 미세 다공 멤브레인층의 기초 중량보다 적어도 대략 0.5% 더 높고, 복합체는 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 복합체 없는 미세 다공 멤브레인층의 삽입 손실 이하의 평균 삽입 손실을 갖는다.

또 다른 실시예에서, 미세 다공 멤브레인 및 미세 다공 멤브레인 상의 코팅을 갖는 다른 복합체 멤브레인이 개시된다. 복합체 멤브레인의 평균 송신 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인 단독의 평균 송신 손실보다 적어도 40% 더 많고, 복합체 멤브레인의 삽입 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인의 삽입 손실 미만이다.

또 다른 실시예에서, 벤팅 매체 복합체가 개시된다. 벤팅 매체는 미세 다공 멤브레인층 및 미세 다공 멤브레인층 상의 코팅을 가지며, 코팅은 크롬 함유 금속 복합 착색제이다.

본원에 개시되는 기술의 다양한 실시 예에 따른, 벤팅 매체 복합체는 코팅 없는 미세 다공 멤브레인층의 기초 중량보다 적어도 대략 0.5% 더 높으며, 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 복합체 없는 미세 다공 멤브레인층의 삽입 손실 이하의 평균 삽입 손실을 갖는다.

또한. 복합체 멤브레인의 평균 송신 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인 단독의 평균 송신 손실보다 적어도 40% 더 많고, 복합체 멤브레인의 삽입 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인의 삽입 손실 미만이다.

도 1은 본 기술의 예시적 구현의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1의 예시적 음향 벤팅 어셈블리의 정면도이다.
도 3는 3-3 라인을 따른 도 2의 음향 벤팅 어셈블리의 단면도이다.
도 4는 본원에 개시되는 기술에 따른 음향 벤팅 복합체의 개략 단면도를 도시한다.
도 5는 제1 미세 다공 멤브레인의 제1 측부의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
도 6은 제1 미세 다공 멤브레인의 제2 측부의 SEM 이미지를 도시한다.
도 7은 본원에 개시되는 기술에 따른, 도 5 및 도 6의 제1 미세 다공 멤브레인으로 만들어지는 음향 벤팅 복합체의 제1 측부의 SEM 이미지를 도시한다.
도 8은 도 7의 음향 벤팅 복합체의 제2 측부의 SEM 이미지를 도시한다.
도 9는 본원에 개시되는 기술에 따른 미세 다공 멤브레인 및 음향 벤팅 복합체들의 삽입 손실을 도시하는 그래프이다.
도 10은 본원에 개시되는 음향 벤팅 매체에 따른 제1 코팅된 미세 다공 멤브레인의 제1 측부와 비교하여 제1 미세 다공 멤브레인의 제1 측부의 점진적으로 확대된 SEM 이미지들을 도시한다.
도 11은 도 10의 제1 코팅된 미세 다공 멤브레인의 제2 측부와 비교하여 제1 미세 다공 멤브레인의 제2 측부의 점진적으로 확대된 SEM 이미지들을 도시한다.
도 12는 본원에 개시되는 음향 벤팅 매체에 따른 제2 코팅된 미세 다공 멤브레인의 제1 측부와 비교하여 제2 미세 다공 멤브레인의 제1 측부의 점진적으로 확대된 SEM 이미지들을 도시한다.
도 13은 도 12의 제2 코팅된 미세 다공 멤브레인의 제2 측부와 비교하여 제2 미세 다공 멤브레인의 제2 측부의 점진적으로 확대된 SEM 이미지들을 도시한다.
도 14는 코팅되지 않은 PTFE 멤브레인 및 본원에 개시되는 기술에 따른 벤팅 복합체의 음향 송신 손실을 도시하고 비교하는 그래프이다.
도 15는 본원에 개시되는 기술에 따른 미세 다공 멤브레인 및 멤브레인 복합체들의 삽입 손실을 도시하는 그래프이다.
도 16은 본원에 설명되는 실험적 테스트에 따른 테스트 캡의 단면도를 도시한다.
도 17은 주파수 응답에 대한 예시적 제어 테스트들에 대한 결과들을 도시하는 그래프이다.
도 18은 예시적 멤브레인들에 대한 인장 테스트 결과들을 도시하는 그래프이다.

본 발명은 첨부 도면들과 관련되어 본 발명의 다양한 실시예들의 이하의 상세한 설명을 고려하여 보다 완전히 이해되고 인식될 수 있다.

도 1은 본 기술의 예시적 구현의 개략도를 도시한다. 전자 어셈블리(10)는 개구부(52)에 걸쳐 시일링 가능하게 배치되는 음향 벤팅 어셈블리(30)를 갖는 개구부(52)를 한정하는 인클로저(enclosure)(50)를 갖는다. 음향 벤팅 어셈블리(30)는 일반적으로 인클로저(50)의 개구부(52)에 미립자들 및 물이 진입하는 것을 방지하고 압력 및 통과하는 음압 파형들의 균등화를 가능하게 하기 위해 가스 흐름을 수용하도록 구성된다. 음향 벤팅 어셈블리(30)의 필터링 효율은 10.5 ft/min으로 이동하는 0.3미크론 이상의 입자 크기로 일반적으로 99% 이상이다. 일부 실시예들에서, 전자 어셈블리(10)는 적어도 IPx7 또는 IP67의 침입 보호 등급을 갖는다. IPx7 또는 IP67 등급에서의 두 번째 숫자 7은 인클로저가 30분 동안 최대 1미터 깊이의 물에 침지될 때, 유해한 양의 물의 침입이 가능하지 않을 것이라는 것을 나타낸다. 테스트 절차들은 국제 전기 표준 회의(IEC)에 의해 발표된 국제 표준 IEC 60529로 지칭되는 국제 표준에서 추가로 정의된다. IPx7 또는 IP67 등급에서의 첫 번째 숫자 x 또는 6은 고체 물체들 및 먼지의 침입에 대하여 제공되는 보호를 지칭한다. “x”가 번호 대신에 사용될 때, 보호의 레벨은 명시되지 않는다. 첫 번째 숫자가 6일 때, 제공되는 보호의 레벨은 방진이어서, 먼지의 침입이 없다는 것을 나타낸다.

도 2는 도 1에 도시되는 구현에 따른 예시적 음향 벤팅 어셈블리의 정면도를 도시하고, 도 3은 도 2에서의 음향 벤팅 어셈블리의 단면도를 도시한다. 음향 벤팅 어셈블리(30)는 개구부(52) 주변의 전자 인클로저(50)에 결합되도록 구성되는 주변 영역(32)을 대략적으로 한정하고(도 1 참조) 또한 벤팅 매체 복합체(100)를 통한 음성 송신을 가능하게 하는 내부 영역(34)을 한정한다. 도 2 및 도 3에서, 벤팅 매체 복합체(100)는 주변 영역(32) 및 내부 영역(34)을 거쳐서 연장된다. 접착제(36)가 주변 영역(32)에 배치되어, 내부 영역(34)을 접착제 없이 둔다. 접착제층은 복합체(100)의 하나의 측부 또는 측부들 둘 다에 있을 수 있다. 음향 벤팅 어셈블리(30)는 일반적으로 관련 분야에 알려진 바와 같이 발포제층, 접착제층, 및 개스킷층과 같은 부가층들 및 층들의 조합들을 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 3이 음향 벤팅 어셈블리(30) 및 내부 영역(34)의 전체 형상을 원형으로 도시하지만, 당업자는 음향 벤팅 어셈블리 및 이의 내부 영역이 본원에 개시되는 기술에 따른 다양한 형상들을 가질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 음향 벤팅 어셈블리 및/또는 이의 내부 영역은 타원 형상 또는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 음향 벤팅 어셈블리는 2개의 내부 영역을 한정할 수 있다.

본 기술에 따르면, 음향 벤팅 어셈블리(30)는 예를 들어, 도 4에 따른 구조체들을 포함하여 다양한 구조체들을 갖는 벤팅 매체 복합체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 음향 벤팅 복합체는 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 대략 0.1㏈ 내지 대략 3㏈의 평균 H1 주파수 응답에 기반한 평균 삽입 손실을 갖는다. 적어도 일 실시예에서, 복합체는 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 2㏈ 미만의 삽입 손실을 갖는다. 많은 실시예들에서, 음향 벤팅 복합체의 평균 삽입 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인층 단독의 평균 삽입 손실 이하이다. 일부 실시예들에서, 음향 벤팅 복합체의 삽입 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인층 단독의 삽입 손실의 85% 이하이다.

복합체 또는 코팅된 멤브레인이 코팅되지 않은 멤브레인보다 더 낮은 삽입 손실을 갖는 이러한 특정 실시예들은, 많은 실시예들에서 코팅이 멤브레인에 중량 및 강성을 부가한다는 사실을 고려하면 놀라운 것이다. 통상적 이해는 멤브레인의 기초 중량의 증가 및 가요성의 감소가 벤트의 음향 성능 감소를 야기한다고 구술한다. 복합체 멤브레인들의 예상된 음향 성능 감소는 코팅되지 않은 멤브레인과 비교할 때, 복합체 멤브레인 상에서 수행되는 송신 손실 테스트들로부터의 결과들로 통상적으로 입증되었다.

실제로, PTFE 멤브레인 단독(EN0701957) 및 (이하의 실시예 2에 따라 마련되는) 본원에 개시되는 기술에 따른 복합체 PTFE 멤브레인에 대한 송신 손실 데이터의 비교를 도시하는 도 14는 그러한 예상들을 입증한다. ASTM E2611-09에 의해 확립되는 테스트 지표들은 29㎜ 튜브에 장착되는 29㎜-직경 멤브레인 샘플들에 이용되었다. PTFE만의 멤브레인은 대략 0.69㏈의 300㎐ 내지 4000㎐ 스펙트럼에 걸친 평균 송신 손실을 가졌고, PTFE 복합체는 1.11㏈의 동일 스펙트럼에 걸친 평균 송신 손실을 가졌다. 이에 따라, PTFE 복합체는 PTFE 단독의 평균 송신 손실보다 대략 60% 더 많은 평균 송신 손실을 가졌다. 게다가, 도 14에 보이는 바와 같이, 복합체 PTFE는 PTFE만의 상대물보다 더 일정치 않게 다양한 주파수들에 반응한다. 본원에 교시된 바와 같은 전자 하우징 맥락에서의 설치를 위해 크기 조정된 멤브레인들과 같은 훨씬 더 작은 멤브레인들이, 성능이 송신 손실 데이터에 의해 나타내어지는 경우, 더 큰 구성 요소보다 더 열악한 성능을 가질 것으로 통상적으로도 이해된다.

상술한 통상적 이해에 반해, 본원에 개시되는 복합체 멤브레인의 일부 실시예들은 멤브레인만의 상대물과 비교할 때 개선된 음향 성능을 입증한다. 본 기술의 일부 실시예들에서, 복합체 멤브레인은 300 내지 4000㎐ 주파수 범위에서 멤브레인 단독의 평균 송신 손실보다 적어도 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 또는 심지어 50% 이상 더 많은 평균 송신 손실을 나타낼 수 있다. 그러나, 본원에 추가로 논의되는 바와 같이, 복합체 멤브레인의 일부 실시예들은 H1 주파수 응답 측정 및 삽입 손실과 같은 상이한 메트릭들을 사용하여 측정되는 바와 같이 상당히 더 열악하지 않거나 심지어 개선된 음향 성능을 입증한다.

평균 H1 주파수 응답 측정 및 삽입 손실이 이제 설명될 것이다.

H1 주파수 응답 및 삽입 손실

일반적으로, 주파수 응답은 자극에 응한 시스템 또는 디바이스의 출력 스펙트럼의 정량적인 측정이다. 주파수 응답은 입력과 비교해 볼 때, 주파수에 따른 출력의 크기 및 위상의 측정이다. 음향 벤트의 맥락에서, 주파수 응답 함수(FRF)는 음파들이 특정 음향 범위에 걸쳐 각각의 주파수에서 음향 벤트를 통과하기 전의 음파들과 비교해 볼 때 음향 벤트를 통과했던 음파들의 크기 및 위상의 측정이다.

관심 있는 음향 벤트의 H1 주파수 응답 함수에 대한 실험적 테스트의 일 예에서, 백색 잡음과 같은 랜덤 음향 신호들은 무반향 테스트실 내부의 확성기를 통하여 생성된다. 2개의 마이크, 즉, 기준 마이크 및 출력 마이크가 음향 신호를 측정하기 위해 실내에 설치된다. 마이크들 각각은 마이크의 활성 영역 상에 설치되는 캡을 갖고, 출력 마이크의 캡은 캡 상에 설치되는 관심 있는 음향 벤트를 갖는다. 기준 마이크를 통해 설치되는 캡은 음향 벤트가 없다. 이와 같이, 어떤 음향 벤트도 통과하지 않은 기준 마이크 상에 수신되는 음향 신호들은 관심 있는 음향 벤트를 통과하기 이전의 음향 신호와 균등한 것으로 해석되고, 이에 상응하게 프로세싱 소프트웨어에 의해 입력 데이터, 또는 기준 데이터가 지정되었다. 관심 있는 음향 벤트를 통과했던 출력 마이크를 통해 수신되는 음향 신호들은 출력 데이터로 지정된다. 2개의 마이크로부터의 음향 신호들은 그 다음 소프트웨어에 의해 비교되어, 스펙트럼에 걸쳐 H1 FRF를 생성한다.

상술한 실험적 구성에 따라, 사용될 수 있는 하나의 분석 시스템은 덴마크 Nærum에 위치된 Bruel & Kjær 음성 & 진동 측정 A/S에 의한 펄스 분석기 플랫폼이다. 백색 잡음을 생성하기 위해 펄스 분석기 플랫폼 소프트웨어에 의해 스피커에 전력이 공급된다.

Bruel & Kjær 타입 2670 마이크들이 이러한 테스트를 관리하기 위해 펄스 분석기 플랫폼과 함께 사용될 수 있다. 펄스 분석기 플랫폼 소프트웨어는 5초 동안 마이크 데이터를 기록하고 주파수 범위에 걸쳐 결과의 평균치를 구한다. 기준 마이크로부터의 음향 데이터는 주파수 범위에 걸쳐 구간들에서의 출력값의 데시벨(㏈)을 제공하는 H1 FRF(주파수 응답 함수) 계산 방법을 사용하여 펄스 분석기 플랫폼 소프트웨어에 의해 출력 마이크로부터의 음향 데이터와 비교된다. 데시벨의 음향 벤트에 대한 주파수 응답이 더 낮을 수록, 벤트를 통한 음성 송신은 더 양호하다.

도 16은 제1 마이크(410) 상에 설치되는 예시적 테스트 캡(400)의 단면도를 도시한다. 캡(400)과 마이크(410) 사이에 시일을 생성하는 O-링은 캡(400)에 의해 한정되는 개구부(422)에 배치된다. 본 도면에 도시되지 않았지만, 개구부는 테스트되는 벤트의 크기 및 형상과 부합하도록 캡(400)의 후면 벽(424)의 축 중심에서 기계 가공되며, 벤트는 도 1의 논의에서 상술한 바와 같이, 벤트가 전자 하우징에 의해 한정되는 개구부 전체에 걸쳐 설치되는 방식과 유사하게 설치된다. 일반적으로, 기계 가공된 개구부는 예를 들어, 도 1 내지 도 3에 대하여 상술한 바와 같은 관심 있는 음향 벤트의 접착제 없는 내부 영역 부분의 크기 및 형상과 부합할 것이고, 제2 마이크와 연관되는 제2 테스트 캡은 제2 테스트 캡 안에 기계 가공되는 실질적으로 동일한 개구부를 가질 것이다.

H1 FRF 계산은 주로 음향 벤트에 기인하는 음향 신호의 손실을 입증한다. 그러나, 음향 신호의 손실의 작은 부분은 2개의 마이크 사이의 장비 결함들, 그것들의 위치 선정, 그리고 스피커에 의해 생성되는 음장에 의한 것이다. 이에 따라, H1 FRF 제어 곡선을 생성하기 위해 제어 테스트를 또한 행하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 FRF 제어 테스트는 기준 마이크 및 출력 마이크와 연관되는 각각의 캡이 음향 벤트가 없는 것을 제외하고, 관심 있는 음향 벤트를 테스트하는 것에 대하여 상술한 것과 유사한 테스트 구성을 갖는다. H1 FRF 계산 결과들은 테스트 구성의 결함들에 기인한다. 이에 따라, 완벽한 테스트에서, H1 FRF는 스펙트럼에 걸쳐 0㏈을 야기할 것이다. 도 17은 상술한 테스트 장비를 사용하는 예시적 제어 테스트들과 연관되는 결과들을 도시한다.

삽입 손실을 계산하기 위해, 제어 H1 FRF 결과들은 이하의 식을 통해 테스트 H1 FRF 계산 결과들을 조정한다:

IL(f) = H1_벤트(f) - H1_제어(f),

여기서 IL(f)는 삽입 손실이고; H1_벤트(f)는 관심 있는 음향 벤트에 대한 H1 FRF이고; H1_제어(f)는 상술한 제어 구성에 대한 H1 FRF이다.

완벽하거나, 거의 완벽한 실험적 구성으로, 삽입 손실이 관심 있는 음향 벤트에 대한 H1 FRF와 수치적으로 균등하거나, 거의 균등할 것이라는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다. 그러나 실제로, 장비 품질이 달라질 수 있고 그러므로 음향 신호에 대한 구성 요소의 영향을 결정할 때 삽입 손실을 사용하는 것이 통상적이다. 이러한 특정 테스트 절차에서, 삽입 손실은 출력 신호 마이크를 커버하는 음향 벤트를 갖는 그리고 음향 벤트가 없는 마이크들 사이의 FRF의 비교이다.

삽입 손실 결과들은 사실상 복잡할 수 있음이 이해될 것이다. 동일한 방식으로 테스트되는 2개의 상이한 재료의 결과들을 비교하는 것을 시도할 때, 관심 있는 특정 주파수 범위에 걸쳐 평균 삽입 손실(㏈)을 계산하는 것이 유용할 수 있다. 이것은 평균 삽입 손실로 지칭된다. 이러한 계산에 대한 식은 하기에 주어진다:

여기서 |IL(f)|는 주어진 주파수 f에서 H1 주파수 응답 함수의 절대값이고, 주파수 범위는 300㎐ 내지 4000㎐이다. 삽입 손실의 절대값은 스펙트럼에서의 부정적 삽입 손실값들에 기인하여 (개선된 성능을 제안하는) 평균 삽입 손실값을 부적절하게 끌어내리는 것을 피하기 위해 상기 식에 사용된다.

일부 실시예들에서, 본원에 개시되는 기술에 따른 복합체는 코팅되지 않은 멤브레인보다 상당히 더 열악하지 않은 음향들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복합체는 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 복합체 없는 미세 다공 멤브레인층의 평균 삽입 손실보다 100% 이하 더 큰 평균 삽입 손실(㏈)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복합체는 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인층 단독의 삽입 손실보다 50% 이하 더 큰 삽입 손실(㏈)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복합체는 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인층 단독의 삽입 손실보다 20% 이하 더 큰 삽입 손실(㏈)을 갖는다.

일부 실시예들에서, 복합체는 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인층 단독의 삽입 손실 이하의 삽입 손실(㏈)을 갖는다. 이러한 경우에, 코팅된 멤브레인의 음향 성능은 코팅되지 않은 멤브레인보다 전혀 더 열악하지 않다.

일부 실시예들에서, 복합체는 코팅되지 않은 멤브레인과 비교하여 개선된 음향 특성들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 복합체는 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인층 단독의 95%, 90%, 85%, 또는 80% 이하의 삽입 손실(㏈)을 갖는다.

도 9는 본원에 개시되는 기술에 따른 음향 벤팅 복합체들의 삽입 손실과 미세 다공 멤브레인의 삽입 손실을 비교하는 그래프이다. 그래프는 ePTFE 단독(910), 5% 코팅 용액으로 코팅되는 ePTFE(920), 그리고 10% 코팅 용액으로 코팅되는 ePTFE(930)와 연관되는 300㎐ 내지 4000㎐의 삽입 손실을 도시한다. 코팅된 ePTFE 샘플들 둘 다는 코팅되지 않은 ePTFE 샘플보다 더 완만한 삽입 손실 곡선을 갖는다. 삽입 손실 곡선의 큰 변화들은 때때로 음성 송신이 왜곡된 품질을 가질 것이라는 것을 나타낸다. 결과적으로, 완만한 곡선이 바람직하다.

표 1은 이하에 주파수 범위 300 내지 4000㎐에 걸쳐 도 9에 도시되는 샘플들과 연관되는 데이터의 평균 삽입 손실을 나타낸다.

샘플 ID	평균 ㏈(300 내지 4000㎐)
EN0701957 코팅 이전	3.7
5% 흑색 EN0701957	2.6
10% 흑색 EN0701957	2.0

도 9에서 곡선(910)을 생성했던 코팅되지 않은 ePTFE 멤브레인은 본원에 그리고 다른 도면들에서 EN0701957로 지칭되고, 제곱 미터 당 15.57그램의 기초 중량을 갖는다. 곡선(920)을 생성했던 복합체 또는 코팅된 멤브레인은 EN0701957을 기초 멤브레인으로 사용하였고, 그 다음 메틸 에틸 케톤(MEK)에 용해되는 Organic Dyestuffs Corporation(미국 로드아일랜드주, 이스트 프로비던스 소재)에 의해 판매되는 Orcosolve Black RE-MC로서 5%를 함유하는 코팅 용액으로 코팅되었다. 곡선(930)을 생성했던 복합체 매체는 EN0701957을 기초 멤브레인으로 사용하였고, 그 다음 메틸 에틸 케톤(MEK)에 용해되는 Organic Dyestuffs Corporation(미국 로드아일랜드주, 이스트 프로비던스 소재)에 의해 판매되는 Orcosolve Black RE-MC로서 10%를 함유하는 코팅 용액으로 코팅되었다. 각각의 멤브레인 또는 복합체의 추가의 특성들이 표 2에 제공된다.

멤브레인 또는 복합체	기초 중량( gsm )	프라지르 투과성 (ft/min @ H20에서 0.5)	색상	음향 성능의 요약
코팅되지 않은 EN0701957(910)	15.57	0.23	백색	기준 성능
5% 코팅된 EN0701957(920)	16.42	0.16	옅은 회색	코팅되지 않은 EN0701957에 비해 개선됨
10% 코팅된 EN0701957(920)	17.66	0.13	짙은 회색/흑색	코팅되지 않은 EN0701957에 비해 5% 넘게 개선됨

코팅을 갖는 멤브레인

다시 도면들을 참조하면, 본 출원의 벤팅 매체 복합체는 일반적으로 코팅을 갖는 미세 다공 멤브레인이다. 복합체란 용어는 2개 이상의 구성 성분(강화 요소들, 충전제들, 및 복합체 매트릭스 바인더)의 물리적 결합으로 본원에 정의되며, 2개 이상의 구성 성분은 적어도 거시적 규모 상에서 서로 구별 가능하다. 구성 성분들은 각자의 고유성을 보유한다. 즉, 그것들은 서로 완전히 용해되거나 혼합되지 않지만, 협력하여 작용한다. 통상적으로, 각각의 구성 성분 및 구성 성분들 사이의 경계면들이 관측 가능하다. 하나의 그러한 예가 도 4에 도시되며, 음향 벤팅 어셈블리(30)에서 사용되는 벤팅 매체 복합체(100)는 미세 다공 멤브레인(200) 및 미세 다공 멤브레인(200)을 코팅하는 코팅(300)을 갖는다. 본원에 동사로 사용될 때의 용어 “코팅”은 구성 요소의 외부면 상에 실질적으로 점착력 있는 층을 형성하는 것으로 정의되며, 코팅은 전체 미세 다공 멤브레인에 스며들 수 있다. 본원에 명사로 사용될 때의 용어 “코팅”은 관련 있는 구성 요소의 외부면 상에 배치되는 실질적으로 점착력 있는 층으로 정의되며, 층은 멤브레인의 전체 두께 전체에 걸쳐 외부면 상에 배치될 수 있다.

미세 다공 멤브레인(200)은 다양한 실시예들에서 확장된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)이지만, 다른 실시예들에서, 대략 2미크론의 또는 2미크론 미만의 직경들을 갖는 기공들을 갖는 상이한 재료가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 미세 다공 멤브레인층은 대략 10미크론 내지 대략 100미크론의 두께를 갖는다. ePTFE가 미세 다공 멤브레인층에 사용되는 실시예들에서, ePTFE는 0.001미크론과 0.8미크론 사이의 평균 기공 크기를 갖는다. 다양한 실시예들에서, ePTFE는 용적 기준으로 40%보다 더 큰 다공성을 갖는다. 일부 실시예들에서, ePTFE는 용적 기준으로 50%보다 더 큰 다공성을 갖는다.

코팅(300)은 다양한 재료들 및 재료의 조합물일 수 있다. 일 실시예에서, 코팅(300)은 착색제를 포함하며, 본원에 사용되는 용어 “착색제”는 잉크, 염료, 안료 등과 같은 구성 요소의 인지되는 착색을 조정하는 임의의 구성 성분으로 정의된다. 다양한 실시예들에서, 코팅(300)은 금속 복합 착색제이다. 그러한 실시예들 중 적어도 하나에서, 코팅은 Organic Dyestuffs Corporation(미국 로드아일랜드주, 이스트 프로비던스 소재)에 의해 판매되는 Orcosolve Black RE-MC와 같은 크롬(Cr) 함유 금속 복합 착색제이다. 유용할 수 있는 다른 착색제들은 미국 공개 제2009/0311618호 및 미국 특허 제5,387,473에 설명되는 착색제들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅(300)은 미세 다공 멤브레인에 흑색 착색을 부여하는 반면에, 청색, 회색, 짙은 청색, 짙은 회색 또는 다른 색상들과 같은 다른 착색이 부여될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 코팅(300)은 카본 블랙을 사용하지 않는 흑색 착색을 부여한다. 당업자는 적용 후에 사람 눈에 짙은 회색 또는 흑색으로 일반적으로 인지되는 흑색 착색제들이 실제로 청색, 적색 또는 녹색과 같은 색상들일 수 있다는 점을 이해할 것이다.

일부 실시예들에서, 코팅은 수지, 바인더, 폴리머 또는 이것들 중 2개 이상일 수 있다. 일부 실시예들에서, 그러한 코팅들은 착색제의 부가 없이 개선된 음향들 및 인장 강도를 나타낸다. 폴리머 재료들 및 폴리머 형성 방법들의 예들이 이하의 특허들 및 특허 출원들에서 설명되며, 그 내용은 이로써 전체가 참조로 포함된다: 2011년 9월 21일자로 출원된 미국 가출원 제61/537,171호(변호사 사건표 제758.7149USP1호); 2012년 4월 4일자로 출원된 미국 가출원 제61/620,251호(변호사 사건표 제444.71490161호); 2011년 8월 17일자로 출원된 미국 공개 출원 제2012/0204527호(변호사 사건표 제758.1149USC9호); 2010년 5월 18일자로 등록된 미국 특허 제7,717,975호(변호사 사건표 제758.1831USU1호); 2010년 2월 2일자로 등록된 미국 특허 제7,655,070호(변호사 사건표 제758.2034USU1호); 및 2009년 3월 31일자로 출원된 미국 공개 출원 제2009/0247970호(변호사 사건표 제758.7089USU1호).

다양한 실시예들에서, 코팅(300)은 적어도 대략 0.5%, 대략 1%, 대략 3%, 대략 5%, 대략 10% 그리고 대략 15%만큼 미세 다공 멤브레인의 기초 중량을 증가시킨다. 음향 벤팅 복합체의 평균 삽입 손실은 일반적으로 음향 벤팅 복합체의 각각의 미세 다공 멤브레인층 단독의 평균 삽입 손실 미만이다. 표 1에 도시되는 실시예와 같은 다양한 실시예들에서, 음향 벤팅 복합체의 평균 삽입 손실은 미세 다공 멤브레인층 단독의 평균 삽입 손실의 대략 60 내지 90%이다. 그러한 실시예들 중 일부에서, 음향 벤팅 복합체의 평균 삽입 손실은 미세 다공 멤브레인층 단독의 평균 삽입 손실의 대략 80%이다.

투과성 및 공기 흐름

일반적으로, 미세 다공 멤브레인(200) 상의 코팅(300)은 미세 다공 멤브레인 단독과 비교할 때, 대략 50%만큼 음향 벤팅 복합체(100)의 투과성을 감소시킨다. 다양한 실시예들에서, 코팅(300)은 미세 다공 멤브레인(200) 단독과 비교할 때, 대략 30% 내지 대략 70%만큼 음향 벤팅 복합체의 투과성을 감소시킨다. 일 실시예에서, 음향 벤팅 복합체에 걸친 압력 강하는 0.75인치 직경 흐름 경로에 대해 50ccm에서 대략 10mbar 미만이다. 일부 실시예들에서, 음향 벤팅 복합체에 걸친 압력 강하는 0.75인치 직경 흐름 경로에 대해 50ccm에서 대략 8mbar 미만이다. 적어도 일 실시예에서, 음향 벤팅 복합체에 걸친 압력 강하는 0.75인치 직경 흐름 경로에 대해 50ccm에서 7mbar 미만이다.

일 실시예에서, 복합체는 25%보다 더 큰 다공성을 갖는다.

도 5 및 도 6은 미세 다공 멤브레인의 각각의 측부의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지들을 도시하고, 도 7 및 도 8은 본원에 개시되는 기술에 따른 음향 벤팅 복합체의 각각의 측부의 SEM 이미지들을 도시한다. 도 5 및 도 6에 따른 미세 다공 멤브레인은 도 7 및 도 8에 따른 음향 벤팅 복합체에 이르기 위해 Cr3 금속 복합 착색제로 코팅된다.

도 10 내지 도 13은 각각 코팅 후의 ePTFE 멤브레인 바로 옆에 코팅 전의 ePTFE 멤브레인의 하나의 측부의 점진적으로 확대된 SEM 이미지들을 도시한다. 각각의 도면의 우측 열은 코팅 전의 ePTFE를 도시하고 좌측 열은 코팅 후의 ePTFE 코팅을 도시한다. 일반적으로, 코팅은 ePTFE의 다양한 소섬유들이 연결되는 절점들에서 특히 두꺼운 것으로 보인다.

인장 강도

다양한 실시예들에서, 예를 들어, 도 4에 따른 벤팅 매체 복합체는 미세 다공 멤브레인 단독의 인장 강도와 비교하여 적어도 대략 105%, 110%, 115%, 120%, 130%, 150%, 175% 및 200%의 인장 강도를 갖는 것으로 예상된다.

도 18은 이하에 논의되는 실시예 2에 따라 마련되었던 2개의 샘플 백색(코팅되지 않은) 멤브레인(510, 520), 및 2개의 샘플 흑색(복합체) 멤브레인(512, 522) 상에서 행해지는 인장 테스트들로부터의 예시적 결과들을 도시한다. 각각의 샘플은 1인치 너비에 3인치 길이이었다. 테스트는 3인치/분으로 행해졌고, 세로 방향으로 테스트되었다. 복합체 멤브레인들은 코팅되지 않은 멤브레인들(E백색)와 비교하여 증가된 영률(E흑색)을 입증하였다. 샘플 재료들의 항복 강도는 코팅 전에 그리고 코팅 후에 동일하게 남은 것으로 보인다. 재료들은 또한 소성 변형 동안 유사하게 작동하는 것으로 보이며, 이는 소성 변형이 기초 재료의 구조체의 움직임에 의존하는 결과로 예상될 수 있다.

방법

이제 음향 벤팅 복합체를 형성하는 것에 따른 방법이 설명될 것이다. 미세 다공 멤브레인이 제공되고 코팅 용액이 형성된다. 다양한 실시예들에서, 미세 다공 멤브레인은 하나의 표면 상에 배치되는 제거 가능 라이너를 갖는다. 코팅 용액은 일반적으로 용매 및 용매에 용해되는 코팅 고체를 포함한다. 상술한 바와 같이, 적어도 일 실시예에서, 코팅은 Organic Dyestuffs(미국 로드아일랜드주, 이스트 프로비던스 소재)에 의해 판매되는 Orcosolve Black RE-MC와 같은 Cr3 금속 복합 착색제이다. 용매는 일반적으로, 다른 요인들 중에서도 코팅을 용해시키는 용매의 능력에 기반하여 선택된다. 일 실시예에서, 용매는 메틸 에틸 케톤(MEK)이다. 다른 실시예들에서, 용매는 아세톤, 에틸 알코올 또는 메탄올이다. 일 실시예에서, 코팅은 용매에 용해되고 멤브레인은 그 다음 코팅 용액을 사용하여 딥 코팅된다. 일 실시예에서, 코팅 공정은 닥터 블레이드, 에어 나이프, 닙(nip) 롤러 또는 이러한 기법들의 조합을 사용한 과잉 코팅의 제거를 포함한다. 일 실시예에서, 멤브레인은 스프레이 코팅, 커튼(curtain) 코팅, 그라비아(gravure) 코팅 및 릭(lick) 롤링 중 하나와 같은 코팅에 대한 계량 접근법을 사용하여 코팅된다. 멤브레인의 하나의 측부가 코팅 용액에 잠기는 실시예들에서, 코팅 용액은 멤브레인의 두께에 걸쳐 이동할 수 있어, 복합체를 생성하기 위해 멤브레인의 측부들 둘 다를 코팅하게 된다. 적어도 일 실시예에서, 코팅된 멤브레인의 하나의 표면은 건조, 저장 등을 위해 라이너와 접촉하도록 배치될 수 있다.

본원에 개시되는 기술에 따른 3개의 예시적 멤브레인들이 이제 설명될 것이다:

실시예 1

나일론 PA66 터폴리머 및 에탄올에 용해된 Orcosolve RE-MC 흑색 크롬 아조 염료 복합체로 구성되는 용액을 제조하였다. 용액은 4(질량)% PA66 터폴리머, 8% RE-MC 염료 및 에탄올로 구성되었다. 용액은 Donaldson EN0701957 확장된 PTFE 멤브레인 전체에 쏟아 부어졌고 초과량이 닦여졌다. 멤브레인이 건조되어 에탄올이 증발되게 하였다. 결과로서 생기는 복합체가 PTFE 섬유들 주변에 PA66 터폴리머의 교차 연결을 용이하게 하기 위해 상승된 온도에서 오븐에 배치되었다.

이러한 재료는 확장된 PTFE와 비교하여 공기 투과성의 50% 감소를 나타내는 것으로 측정되었다. 색상은 흑색 또는 짙은 회색인 것으로 나타났다. 삽입 손실은 H1 주파수 응답 함수를 통하여 계산되었고 (후술되는) 실시예 2 및 PTFE 멤브레인만의 삽입 손실과 비교하여 도 15에 도시된다.

실시예 2

메틸 에틸 케톤(MEK)에 용해된 8(질량)% Orcosolve RE-MC 흑색 크롬 아조 염료 복합체로 구성되는 용액이 제조되었다. 용액은 Donaldson EN0701957 확장된 PTFE 멤브레인 전체에 쏟아 부어졌고 초과량이 닦여졌다. 멤브레인이 건조되어 MEK를 증발시키도록 하였다.

이러한 재료는 확장된 PTFE와 비교하여 공기 투과성의 50% 감소를 나타내는 것으로 측정되었다. 색상은 흑색 또는 짙은 회색인 것으로 나타났다. 삽입 손실은 H1 주파수 응답 함수를 통하여 계산되었고 실시예 1 및 PTFE 멤브레인만의 삽입 손실과 비교하여 도 15에 도시된다.

실시예 3

메틸 에틸 케톤(MEK)에 용해된 10(질량)% Lumiflon LF-916F 플루오로폴리머 수지로 구성되는 용액이 제조되었다. 용액은 10% Lumiflon LF-916F 및 나머지 MEK로 마련되었다. 이러한 용액은 Donaldson EN0701957 확장된 PTFE 멤브레인 전체에 쏟아 부어졌고 초과량이 닦여졌다. MEK는 용액 및 PTFE로부터 건조되는 것이 가능하게 되었다. 이러한 재료는 확장된 PTFE와 비교하여 공기 투과성의 50% 미만 감소를 나타내는 것으로 측정되었다. 음향 테스트는 이러한 샘플 상에서 수행되지 않았다.

본 명세서 및 첨부된 청구항들에 사용되는 어구 “구성되는”은 특정 과제를 수행하거나 특정 구성을 적용하도록 고안되거나 구성되는 시스템, 장치, 또는 다른 구조체를 설명한다는 점이 또한 주목되어야 한다. 어구 "구성되는"은 “배열되는”, “배열되고 구성되는”, “고안되고 배열되는”, “고안되는”, “제조되고 배열되는” 등과 같은 다른 유사한 어구들과 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.

본 명세서의 모든 공보들 및 특허 출원들은 본 발명과 관련 있는 당업자의 레벨을 나타낸다. 모든 공보들 및 특허 출원들은 각각의 개별 공보 또는 특허 출원이 상세하게 그리고 개별적으로 참조로 나타내어졌던 경우와 동일 정도로 참조로 본원에 포함된다. 본 출원은 본 대상의 개조들 또는 변형들을 포함하도록 의도된다. 상기 설명은 제한적이 아닌 예시적인 것으로 이해되어야 한다.

Claims (64)

1. 복합체 멤브레인으로서,
   확장된 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 미세 다공 멤브레인; 및
   상기 미세 다공 멤브레인 상의 코팅을 포함하며,
   상기 코팅은 크롬 함유 금속 복합 착색제를 포함하고,
   상기 복합체 멤브레인의 평균 송신 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 미세 다공 멤브레인 단독의 평균 송신 손실보다 적어도 10% 더 많고, 상기 복합체 멤브레인의 삽입 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 상기 미세 다공 멤브레인의 삽입 손실 미만인, 복합체 멤브레인.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복합체 멤브레인의 평균 송신 손실은 300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 상기 미세 다공 멤브레인 단독의 평균 송신 손실보다 적어도 50% 더 많은, 복합체 멤브레인.
3. 청구항 1에 있어서,
   소유성 코팅을 더 포함하는, 복합체 멤브레인.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 확장된 폴리테트라플루오로에틸렌은 0.001미크론과 2.0미크론 사이의 평균 기공 크기를 갖는, 복합체 멤브레인.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 확장된 폴리테트라플루오로에틸렌은 50%보다 더 큰 다공성을 갖는, 복합체 멤브레인.
6. 청구항 1에 있어서,
   300㎐ 내지 4000㎐의 주파수 범위에서 상기 미세 다공 멤브레인 단독의 삽입 손실의 80% 이하의 삽입 손실을 갖는, 복합체 멤브레인.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 복합체 멤브레인은 흑색인, 복합체 멤브레인.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 크롬 함유 금속 복합 착색제는 카본 블랙을 포함하지 않는, 복합체 멤브레인.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 복합체 멤브레인이 인클로저에서 개구부에 설치되도록 구성될 때, 상기 인클로저는 상기 복합체 멤브레인이 물의 침입을 허용하지 않고 30분 동안 1미터 깊이의 물에서의 침지를 견뎌낼 수 있는, 복합체 멤브레인.
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