KR102337625B1 - 입자의 경로의 말단부가 노출된 입자의 경로를 포함하는 제품을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

입자의 경로의 말단부가 노출된 입자의 경로를 포함하는 제품을 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스의 계면에 입자를 배열하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은,
- 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스 및/또는 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스를 하나 이상의 면을 포함한 지지체와 접촉시키는 단계 - 상기 지지체의 하나 이상의 면은 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스 및/또는 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 대면함 -,
- 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 접촉되도록 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스를 배치함으로써, 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이에 하나 이상의 계면을 포함하는 구조물을 제공하는 단계,
- 상기 구조물 내의 상기 입자를 전기장 및/또는 자기장에 노출시킴으로써 상기 입자를 하나 이상의 경로로 형성하는 단계 - 상기 하나 이상의 입자의 경로는 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 상기 하나 이상의 계면에 말단부를 포함함 -, 및
- 상기 하나 이상의 입자의 경로를 고착시키기 위해 상기 점성 재료를 고착시키는 단계를 포함하고,
상기 말단부는 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스의 용해에 의한 제거 시에 노출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기 방법에 의해 얻어질 수 있는 제품, 및 다양한 용도에서 상기 방법의 사용에 관한 것이다.

Description

입자의 경로의 말단부가 노출된 입자의 경로를 포함하는 제품을 제조하기 위한 방법{A METHOD FOR FORMING AN ARTICLE COMPRISING A PATHWAY OF PARTICLES WHEREIN A TERMINATION OF THE PATHWAY OF PARTICLES IS EXPOSED}
본 발명은 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면에 입자를 배열하는 방법에 관한 것이다. 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스는 본질적으로 서로 혼합불가능하고, 또한 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스를 용해시킴이 없이, 또는 본질적으로 용해시킴이 없이 가용성 매트릭스의 선택적 용해를 가능하게 하는 상이한 용해도를 보인다. 본 발명은 상기 방법에 의해 얻어질 수 있는 제품에 관한 것이다.
비등방성 재료가 광범위한 용도로, 그리고 증가하는 범위의 용도로 형성된다. 전형적으로, 이러한 재료는 비전도성 매트릭스 재료에 고착된 전도성 입자를 포함한다. 이 전도성 입자는 적어도 특정의 상황 하에서 비등방성 재료가 도전성 재료로 될 수 있도록 매트릭스 재료에 전도성 경로를 형성하기 위한 것이다.
입자 및 매트릭스 재료의 선택에 따라, 비등방성 재료는 센서(예를 들면, 응력 센서), 태양전지 용도, 인쇄된 전자장치, 커패시터, 배터리, 터치 스크린, 디스플레이, 스마트 윈도 및 멤브레인과 같은 다양한 용도를 위해 적합하도록 형성될 수 있다.
대부분의 비등방성 재료를 형성하기 위한 종래 기술의 방법은 매트릭스 재료 및 전도성 입자를 포함하는 점성 혼합물을 제공하는 단계, 혼합물 내에 전도성 경로를 형성하기 위해 전도성 입자를 정렬시키도록 점성 혼합물의 전체에 걸쳐 전기장을 인가하는 단계, 및 그 후 점성 혼합물을 경화시키는 단계를 포함한다.
대안적으로, 입자를 정렬시켜 전도성 경로를 형성하도록 입자의 자기 특성을 이용하는 것이 제안되었다. WO 2008/153679는 이러한 예이고, 여기서 복수의 자성 입자를 포함하는 점소성(viscoplastic) 재료가 자성 입자의 일부를 사전결정된 위치로 적어도 부분적으로 정렬시키기에 충분한 시간 동안 자기장에 노출된다.
그러나, 종래 기술의 방법에 의하면 일반적으로 매트릭스 재료 내에 매립된 전도성 경로를 포함하는 비등방성 재료가 얻어지므로 전도성 경로와의 직접 접촉은 전도성 경로의 종점이 비등방성 재료의 표면이나 연부(edge)에서 노출되는 경우에만 발생될 수 있다. 이러한 전도성 경로의 작은 부분만의 노출은 전도성 경로의 더 큰 부분에의 접근이 요구되는 용도에서는 결점이 될 수 있고, 모든 전류가 극도로 제한적으로 노출된 접촉점을 통해 흘러야 하므로 재료의 전기 전도도를 감소시킬 수 있다.
그러므로 비등방성 재료의 범용성을 더 증가시키기 위해, 전도성 경로를 전체적으로 노출시키거나, 또는 전도성 네트워크의 노출된 노드(node)의 수를 상당히 증가시키는 것이 요망된다. 비등방성 재료의 원하는 용도에 따라, 전도성 경로의 적어도 일부는 과격하지 않은 제거 수단을 이용하여 부분적으로 또는 전체적으로 노출될 수 있다.
본 기술분야에서 형성된 비등방성 재료의 범용성을 향상시키기 위한, 그리고 그 공업적 생산을 가능하게 하기 위한 재료 형성 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 상기 필요를 충족시키는 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적은 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면에 입자를 배열하기 위한 방법에 의해 달성된다.
이 방법은,
- 가용성 매트릭스 및/또는 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스를 하나 이상의 면을 포함한 지지체와 접촉시키는 단계 - 상기 지지체의 하나 이상의 면은 상기 가용성 매트릭스 및/또는 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 대면함 -,
- 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 접촉되도록 상기 가용성 매트릭스를 배치함으로써, 상기 가용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이에 하나 이상의 계면을 포함하는 구조물을 제공하는 단계,
- 상기 구조물 내의 상기 입자를 전기장 및/또는 자기장에 노출시킴으로써 상기 입자를 하나 이상의 경로로 형성하는 단계 - 상기 하나 이상의 입자의 경로는 상기 가용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 상기 하나 이상의 계면에 말단부를 포함함 -, 및
- 상기 하나 이상의 입자의 경로를 고착시키기 위해 상기 점성 재료를 고착시키는 단계를 포함하고,
상기 말단부는 상기 가용성 매트릭스의 제거 시에 노출될 수 있는 것을 특징으로 한다.
가용성 매트릭스는 수용성 매트릭스 또는 비수용성 매트릭스일 수 있다. 말단부는 가용성 매트릭스의 제거 시에 노출될 수 있다. 가용성 매트릭스의 제거는 용해에 의해 실행될 수 있다. 따라서, 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스의 계면에 입자를 배열하기 위한 방법이 제공된다.
상기 방법은,
- 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스 및/또는 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스를 하나 이상의 면을 포함한 지지체와 접촉시키는 단계 - 상기 지지체의 하나 이상의 면은 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스 및/또는 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 대면함 -,
- 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 접촉되도록 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스를 배치함으로써, 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이에 하나 이상의 계면을 포함하는 구조물을 제공하는 단계,
- 상기 구조물 내의 상기 입자를 전기장 및/또는 자기장에 노출시킴으로써 상기 입자를 하나 이상의 경로로 형성하는 단계 - 상기 하나 이상의 입자의 경로는 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 상기 하나 이상의 계면에 말단부를 포함함 -, 및
- 상기 하나 이상의 입자의 경로를 고착시키기 위해 상기 점성 재료를 고착시키는 단계를 포함하고,
상기 말단부는 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스의 용해에 의한 제거 시에 노출되는 것을 특징으로 한다.
가용성 매트릭스는 입자를 더 포함할 수 있다. 입자는 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 내에 수용된 입자와 동일하거나 상이할 수 있다. 가용성 매트릭스에 입자를 첨가하면, 가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 계면에서 입자의 농도가 증가될 수 있고, 및/또는 입자가 점성 재료를 포함한 매트릭스로부터 가용성 매트릭스 내로 돌출하도록 보장될 수 있다. 전기장 및/또는 자기장의 인가 시, 입자는 가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 계면에 배치된 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로를 형성한다. 상기 입자의 최소의 선 치수(linear dimension)가 가용성 매트릭스의 두께보다 큰 경우, 상기 입자의 적어도 일부는 점성 재료를 포함한 매트릭스 내에 포함된다. 점성 재료를 포함한 매트릭스가 고착된 후, 상기 입자는 가용성 매트릭스가 제거된 후에도 점성 재료를 포함한 매트릭스 내에 포함되어 고착된다. 가용성 매트릭스의 제거 시, 가용성 매트릭스 내에만 수용된 입자도 제거된다.
가용성 매트릭스 및/또는 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스는 지지체와 접촉될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 가용성 매트릭스는 입자를 포함할 수 있다. 지지체를 사용하면 취급이 용이해진다. 예를 들면, 가용성 매트릭스는 지지체와 접촉될 수 있고, 그 후에 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스가 가용성 매트릭스에 적층된다. 점성 재료는 가용성 매트릭스 상에 적층되기 전 또는 후에 지지체와 접촉될 수 있다. 가용성 매트릭스 및 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스를 위해 사용되는 지지체는 동일하거나 상이할 수 있고, 가용성 매트릭스 및/또는 점성 매트릭스에 대면하는 하나 이상의 면을 구비할 수 있다.
고체의 지지체의 하나 이상의 면은, 예를 들면, 접착성이나 코팅층의 피복에 대한 자신의 특성을 변화시키기 위해 표면 개질 기법으로 처리될 수 있다. 일례로서, 표면 개질 기법은 본 기술분야에 공지되어 있는 코로나 처리, 플라즈마 처리 또는 화염 처리일 수 있다. 적절한 표면 개질 기법을 선택함으로써 지지체를 침착시키기 위한 및/또는 지지체를 제거하기 위한 원하는 표면 특성이 달성될 수 있다.
지지체는 하나 이상의 폴리머를 포함하는 고체의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들면, 지지체는 본 기술분야의 당업자에게 공지된 바와 같은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 또는 폴리이미드와 같은 폴리에스테르를 포함할 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다. 지지체는 또한 유리 또는 금속과 같은 강성 재료일 수 있다.
지지체에 적층된 가용성 매트릭스는 지지체를 부분적으로 또는 전체적으로 피복할 수 있다. 가용성 매트릭스는 코팅, 층 또는 막으로서 지지체 상에 적층될 수 있다. 이 코팅, 층 또는 막의 두께는 용도에 따라 변화될 수 있다. 예를 들면, 코팅, 층 또는 막의 두께는 0.05 마이크로미터 내지 200 마이크로미터, 또는0.15 마이크로미터 내지 20 마이크로미터의 범위일 수 있다.
"가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면"이라는 표현은 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 경계 영역인 것으로 이해된다.
가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스는 서로 혼합불가능하거나, 서로 극도로 제한된 범위로 혼합가능한 것으로 이해될 것이다. 따라서, 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스는 혼합불가능하다. 대안적으로, 가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스는 1 내지 5 중량%와 같은 제한된 범위로 혼합가능할 수 있다. 그러므로, 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 접촉하도록 가용성 매트릭스를 배치하면 가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이에 하나 이상의 계면이 형성된다. 가용성 매트릭스가 점성 재료를 포함한 매트릭스와 접촉된 경우에 분열 또는 확산이 전혀 발생되지 않거나 제한적으로 발생되고, 그 반대의 경우도 동일하다. 가용성 매트릭스는 이 가용성 매트릭스 상에 점성 재료를 포함한 매트릭스를 침착시킴으로써 점성 재료를 포함한 매트릭스와 접촉될 수 있다.
가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 계면에 배열된 하나 이상의 입자의 경로의 말단부 또는 노드(node)는 가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 경계 영역에 및/또는 그 경계 영역에 인접하여 및/또는 그 경계 영역에 근접하여 위치될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 계면에 위치된 입자는 가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이에 형성된 계면을 통과하여 점성 재료를 포함한 매트릭스로부터 가용성 매트릭스 내로 돌출할 수 있다. 더욱이, 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 점성 재료를 포함한 매트릭스와의 평면의 계면에 위치될 수 있으나 가용성 매트릭스 내로 연장되지 않는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 만일 입자가 점성 재료를 포함한 매트릭스로부터 가용성 매트릭스로 자유롭게 이동될 수 있다면, 입자의 적어도 일부가 점성 재료를 포함한 매트릭스 내에 유지되도록 개별 입자의 크기는 가용성 매트릭스의 두께보다 클 수 있다.
본 명세서에서 설명한 바와 같이, 점성 재료를 포함한 매트릭스의 점성 재료의 고착은 하나 이상의 입자의 경로의 고착으로 이어진다. 그 결과 입자의 적어도 일부가 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로를 형성하는 구조물이 얻어지고, 상기 말단부는 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면에 배치된다. 하나 이상의 입자의 경로는 추가의 입자의 경로 및/또는 추가의 입자에 연결될 수 있고, 그 결과 점성 재료를 포함한 매트릭스 및/또는 가용성 매트릭스 내의 입자의 네크워크의 일부를 형성한다. 따라서, 하나 이상의 입자의 경로는 입자의 네트워크의 일부를 형성할 수 있다. 가용성 매트릭스의 제거 시, 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 점성 재료를 포함한 매트릭스 내에 위치된 입자의 연속적 네트워크와 연결되는 노드(들)의 역할을 할 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 입자의 경로는 단일의 입자일 수 있고, 여기서 가용성 매트릭스를 제거하면 점성 재료를 포함한 매트릭스의 표면(들)에서 상기 단일의 입자의 일부가 노출된다.
가용성 매트릭스가 점성 재료를 포함한 매트릭스 내로 돌출하지 않는 입자를 포함하는 경우, 이 입자는 가용성 매트릭스와 함께 제거된다.
점성 재료의 고착은, 예를 들면, 경화, 세라믹화, 가교결합, 겔화, 조사, 건조, 가열, 소결 또는 소성과 같은 임의의 적절한 방법에 의해 달성될 수 있다.
경화는 자외선 복사(UV), 열 및/또는 화학적 첨가제의 첨가와 같은 화학선(actinic radiation)에 의해 발생될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법에서 하나 이상의 입자의 경로는 도전성 입자의 경로일 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법은,
- 지지체를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 지지체는 가용성 매트릭스 및/또는 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스로부터 제거될 수 있다.
지지체의 제거는 박피 또는 인리(pulling apart)와 같은 기계적 수단을 사용하여 실시될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 바와 같은 지지체의 하나 이상의 면의 표면 처리는 지지체의 제거를 촉진시킬 수 있다. 2 개 이상의 지지체가 있는 경우, 제거는 하나 이상의 지지체(들)가 제거되는 방식으로 실행될 수 있다. 예를 들면, 하나, 두 개 또는 모든 지지체가 제거될 수 있다. 지지체의 제거 후, 얻어진 구조물은 가용성 매트릭스, 고착된 점성 재료를 포함하는 매트릭스, 상기 가용성 매트릭스와 상기 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 하나 이상의 계면을 포함할 수 있거나 이들로 구성될 수 있다. 고착된 점성 재료를 포함하는 매트릭스는 상기 하나 이상의 입자의 경로를 포함한다. 더욱이, 가용성 매트릭스는 입자 및/또는 하나 이상의 입자의 경로를 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 하나 이상의 입자의 경로는 연결된 입자의 네트워크 및/또는 연결된 입자의 네트워크의 일부를 형성할 수 있거나, 단일의 입자일 수 있다. 이 하나 이상의 입자의 경로는 가용성 매트릭스와 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 상기 계면에 말단부 또는 노드를 포함하고, 상기 말단부는 가용성 매트릭스의 제거 시 노출가능하다.
지지체의 제거 후, 다음을 포함하는 제품이 제공된다.
- 가용성 매트릭스,
- 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스,
- 상기 가용성 매트릭스와 상기 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 하나 이상의 계면, 및
- 상기 계면에 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로.
이 제품은 상기 가용성 매트릭스의 제거 시에 상기 말단부가 노출가능한 것을 특징으로 한다. 가용성 매트릭스 및/또는 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스는 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로를 포함할 수 있다. 이 제품은 본 명세서에 설명된 방법에 의해 얻어질 수 있다.
가용성 매트릭스는 하나 이상의 입자의 경로의 말단부를 위한 보호체의 역할을 할 수 있고, 이를 통해 취급 및 수송이 용이해질 수 있다. 보호체인 가용성 매트릭스는 코팅, 층 또는 막의 형상을 가질 수 있다. 보호체는 구조물이 취급될 필요가 있는 한 유지될 수 있고, 사용 전에 용이하게 제거된다.
따라서, 본 명세서에서 설명되는 방법은 다음의 단계를 더 포함할 수 있다.
- 화학적 수단에 의해 가용성 매트릭스를 제거하는 단계.
가용성 매트릭스 및 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스의 용해도는 상이하므로 가용성 매트릭스는 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스를 용해시키거나 손상시킴이 없이 용해될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 유리하게는, 가용성 매트릭스는 수용성 매트릭스일 수 있다. 수용성 매트릭스의 제거를 위해 적합한 화학적 수단의 예는 물 및/또는 수용액을 이용한 세척을 포함한다. 비수용성 매트릭스의 제거를 위해 적합한 화학적 수단의 예는 산, 염기, 또는 유기 용매(예를 들면, 알코올, 에스테르, 케톤, 알데히드, 에테르, 또는 탄화수소)를 이용한 세척을 포함한다. 가용성 매트릭스의 제거 시 상기 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 노출된다. 그 결과, 상기 하나 이상의 입자의 경로의 노출된 말단부는 외부의 전기 수단에 편리하게 연결될 수 있다. 이것에 의해 상기 말단부를 통해 점성 재료를 포함한 매트릭스 내에 매립된 하나 이상의 입자의 경로가 외부의 전기 수단에 연결될 수 있으므로 이것은 중요한 이점이다. 더욱이, 화학적 수단에 의한 가용성 매트릭스의 제거는 과격하지 않은 제거 방식이므로 고착된 점성 재료 및/또는 하나 이상의 입자의 경로의 노출된 말단부의 기계적 손상이 방지되거나 최소화된다. 따라서, 입자를 손상시킬 수 있거나 및/또는 입자의 네트워크를 파괴 및 파단시킬 수 있는 에칭 처리 또는 연마 처리가 불필요하다.
반면에, 만일 가용성 매트릭스가 제공되지 않고, 접착성 매트릭스 또는 탄성중합체 매트릭스와 같은 점성 재료를 포함하는 매트릭스 내의 입자에 인가되는 경우, 입자는 점성 재료를 포함한 매트릭스 내에서 이동하여 배열된다. 점성 재료를 포함한 매트릭스 및 이것의 지지체와의 계면의 성질 및 이것의 자유 표면이 특성에 따라, 입자는 접착성 매트릭스 또는 탄성중합체 매트릭스와 같은 점성 재료 내에 완전히 매립되어 접근 불가능하게 된다. 즉, 입자는 점성 재료 내에 매립되거나 및/또는 점성 재료에 의해 피복되어 노출되지 않는다. 그 결과, 외부 전기 수단은 매트릭스 내에 배치된 입자에 직접 연결될 수 있다.
가용성 매트릭스의 제거 후, 얻어진 구조물은 고착된 점성 재료 및 하나 이상의 입자의 경로를 포함하는 매트릭스를 포함하거나 이 매트릭스로 구성된다. 하나 이상의 입자의 경로는 고착된 점성 재료의 표면에 노출된 말단부를 포함한다. 이 구조물은 하나 이상의 지지체를 더 포함할 수 있다. 따라서, 고착된 점성 재료 및 하나 이상의 입자의 경로를 포함하는 매트릭스로 구성되거나 이 매트릭스를 포함하는 제품이 제공되고, 상기 하나 이상의 입자의 경로는 상기 매트릭스의 표면에 말단부를 갖고, 상기 말단부는 상기 표면에서 노출되는 것을 특징으로 한다. 하나 이상의 입자의 경로는 입자의 연속 네트워크와 같은 입자의 네트워크의 일부를 형성할 수 있다. 이 제품은 본 명세서에서 설명되는 방법에 의해 얻어질 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법에 의해 얻어질 수 있는 제품이 또한 제공된다.
수용성 매트릭스는 수용성 재료를 포함하거나 수용성 재료로 구성된다. 예를 들면, 가용성 매트릭스는 하나 이상의 수용성 폴리머로 구성될 수 있거나 하나 이상의 수용성 폴리머를 포함할 수 있다. 수용성 폴리머의 예는 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 산화물, 전분, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 메틸에테르-말레산 무수물, 폴리말레산 무수물, 스티렌 말레산 무수물, 히드록시에틸 셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리아크릴산 염, 알지네이트, 아크릴아미드 코폴리머, 구아검, 카세인, 에틸렌-말레산 무수물 수지, 폴리에틸렌이민, 에틸 히드록시에틸셀룰로오스, 에틸 메틸셀룰로오스, 및 히드록시에틸 메틸셀룰로오스를 포함한다. 가용성 매트릭스는 상이한 수용성 폴리머의 혼합물을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 더욱이, 하나 이상의 폴리머는 폴리비닐 알코올일 수 있다. 가용성 매트릭스는 공정 중에 취급을 향상시키거나 및/또는 촉진시키기 위해 하나 이상의 가교제를 포함할 수 있다. 가용성 매트릭스는 층의 적층 또는 평활화를 향상시키기 위해 산업계에서 농축제 또는 평활제(levelling agent)로 인정되는 재료(예를 들면, 폴리에틸렌 글리콜 p-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)-페닐 에테르(TX-100))와 같은 층 코팅의 품질을 향상시키기 위한 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 층은 또한 착색제 또는 색소를 포함할 수 있다.
점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스의 점성 재료는 하나 이상의 폴리머, 모노머 또는 올리고머를 포함할 수 있다. 예를 들면, 점성 재료는 접착성 재료 및/또는 탄성중합체 재료일 수 있다. 폴리머는 폴리아크릴레이트, 폴리에폭시드, 폴리우레탄 및/또는 폴리실리콘과 같은 열경화성 또는 열가소성 폴리머일 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 점성 매트릭스는 어느 정도까지 이 매트릭스 재료를 통과하는 물체의 이동에 저항하므로 입자는 즉각 침전되지 않는다. 예를 들면, 점성 재료는 약 1000 cP, 35000 cP 또는 약 40000cP와 같이 약 300 cP 이상의 점성도를 가질 수 있다. 일례로서, 점성 매트릭스는 약 300 cP 내지 약 40000 cP의 범위 내의 점성도를 가질 수 있다. 본 명세서에서, cP는 센티포아즈를 의미한다. 일례로서, 점성 재료는 Dymax 3094를 포함할 수 있거나, Dymax 3094로 구성될 수 있고, 이것은 약 1000 cP의 점성도를 가질 수 있다. 추가의 실시예에서, 점성 재료는 Norland NOA81을 포함할 수 있거나, Norland NOA81로 구성될 수 있고, 이것은 약 300 cP의 점성도를 가질 수 있다.
유리하게는, 자기장의 사용에 의해 변위가능하도록 입자는 상자성 또는 강자성, 바람직하게는 강자성일 수 있다.
더욱이, 유리하게는 전기장의 사용에 의해 변위가능하도록 입자는 도전성을 가질 수 있거나 및/또는 매트릭스의 상대 유전율보다 훨씬 작거나 훨씬 큰 상대 유전율을 가진 하나 이상의 재료로 제조될 수 있다.
입자는 균질 입자일 수 있다. 즉, 입자는 크기, 형상 및/또는 재료의 조성에 관하여 입자의 전체를 통해 단일의 재료 또는 재료의 혼합물로 구성된다. 그러나, 입자는 비균질 입자일 수 있다. 즉, 입자는 다수의 재료로 구성된다. 예를 들면, 입자는 하나의 재료의 코어 및 다른 재료의 외피를 가질 수 있다. 입자는 또한 전기 전도도 또는 자성과 같은 성능을 향상시키는 불순물을 함유할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 입자는 단지 하나의 유형의 입자를 포함할 수 있으나, 상이한 유형의 입자의 혼합물일 수도 있다. 입자는 상자성 및/또는 강자성일 수 있다. 입자는 또한 도전성을 가질 수 있다.
입자는 평평할 수 있고, 및/또는 구형, 세장형, 튜브형, 원반형, 와이어형, 불규칙한 형상 또는 이들의 조합을 가질 수 있다.
입자는 탄소, 금속 및/또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 예를 들면, 입자는 은, 철, 흑연, 니켈, 구리, 금, 아연, 타이타늄, 또는 알루미늄으로 구성될 수 있거나 이것을 포함할 수 있다.
유리하게는, 적어도 일부의 입자는 상자성 또는 강자성, 및 도전성의 양자 모두일 수 있다. 대안적으로, 상자성 또는 강자성 입자의 혼합물일 수 있다. 이러한 입자는 자기장 및 전기장의 양자 모두에 의해 변위가능하다.
유리하게는, 입자는 금속 및/또는 니켈 또는 철 산화물과 같은 금속 합금의 입자를 포함한다. 또한 입자는, 예를 들면, 흑연, 그래핀, 탄소 나노튜브, 벅민스터플러렌(buckminsterfullerene), 비정질 탄소, 또는 카본 블랙과 같은 탄소 동소체를 포함할 수 있다. 더욱이, 입자는 은-철 입자, 은-니켈 입자, 흑연-니켈 입자, 니켈 입자, 탄소-나노입자 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 유리하게는, 입자는 또한 세라믹, 유리 또는 폴리머 코어, 및 전도성 금속의 셸을 가진 코어-셸(core-shell) 입자를 포함할 수 있다.
입자 크기, 즉 입자의 최대 선 치수는 0.3 내지 500 마이크로미터, 또는 0.5 내지 200 마이크로미터, 또는 1 내지 100 마이크로미터, 또는 3 내지 50 마이크로미터의 범위일 수 있다.
점성 재료를 포함한 매트릭스 및/또는 수용성 매트릭스 내의 입자의 농도는 침출 한계치 미만일 수 있다. 예를 들면, 입자의 농도는 0.001 내지 10 체적%, 또는 0.01 내지 2 체적%, 또는 0.01 내지 1.5 체적%, 또는 0.1 내지 1.5 체적%의 범위일 수 있다.
전도성 혼합물의 경우, "침출 한계치"는 랜덤 시스템에서 장범위 전도율을 달성하기 위해 필요한 전도성 입자의 최저 농도로서 정의된다. 이러한 랜덤 시스템은 거의 등방성이다. 본 발명에 따른 방법에 의해 형성되는 시스템에서, 사전정의된 방향으로의 전도율을 달성하기 위해 필요한 전도성 입자의 농도는 이 침출 한계치에 의해 결정되지 않고, 농도는 더 낮을 수 있다. 실용적인 이유로 입자의 농도는 전도성 경로에 관한 요건에 의해 결정되고, 일반적으로 과잉량의 전도성 입자가 전도성 경로로 배열되지 않을 이유가 없다.
본 명세서에서 설명되는 방법은 또한 다음의 단계를 포함할 수 있다.
- 지지체 상에 적층된 후의 가용성 매트릭스를 건조시키는 단계. 건조 방법은 대류 가열, 대류를 포함하거나 포함하지 않는 적외선 가열, RF 건조, 냉동 건조 등을 포함하지만 이것에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 설명된 바와 같은 수용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 하나 이상의 계면을 포함하는 구조물 내의 입자에 인가되는 장(field)은 전기장, 자기장, 또는 이들의 조합일 수 있다. 전기장은 직류 전기장(DC) 또는 교류 전기장(AC)일 수 있다. RMS 전기장 강도는 1 내지 50 kV/cm, 또는 5 내지 25 kV/cm와 같은 1 내지 100 kV/cm의 범위일 수 있다. 전기장은 0.1 kHz 내지 200 kHz, 또는 0.1 kHz 내지 25 kHz와 같은 10 Hz 내지 10 MHz의 주파수를 가질 수 있다.
이 장은 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면의 연장부에 대해 수직이거나 또는 본질적으로 수직인 방향으로 인가될 수 있다. 이 장이 계면의 연장부에 대해 수직인 방향으로 인가되는 경우, 역선(field line)은 계면의 연장부에 대해 수직이다. 이 장이 계면에 대해 본질적으로 수직인 방향으로 인가되는 경우, 역선(field line)은 계면의 연장부에 대해 수직인 선과 45° 이하의 각도를 형성한다.
이 장은 또한 계면의 연장부에 대해 평행이거나 또는 본질적으로 평행인 방향으로 인가될 수 있다. 이 장이 계면의 연장부에 대해 평행인 방향으로 인가되는 경우, 역선은 계면의 연장부에 대해 평행이다. 이 장이 계면의 연장부에 대해 본질적으로 평행인 방향으로 인가되는 경우, 역선은 계면의 연장부와 45° 이하의 각도를 형성한다.
2 개 이상의 장이 인가되는 경우, 이 제 1 장은 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면의 연장부에 대해 수직이거나 또는 본질적으로 수직인 방향으로 인가될 수 있다. 대안적으로, 제 1 장은 계면의 연장부에 대해 평행이거나 본질적으로 평행인 방향으로 인가될 수 있다. 제 2 장 및/또는 추가의 장이 계면의 연장부에 대해 수직이거나 본질적으로 수직인 방향으로 인가될 수 있다. 대안적으로, 인가되는 제 2 장 및/또는 추가의 장은 계면의 연장부에 대해 평행이거나 본질적으로 평행인 역선(flux line)을 가질 수 있다. 계면의 연장부와 본질적으로 평행한 역선은 계면의 연장부와 45° 이하의 각도를 형성할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
제 1 장은 전기장 또는 자기장일 수 있다. 제 2 장 또는 추가의 장은 전기장 또는 자기장일 수 있다. 2 개 이상의 장이 인가되는 경우, 제 1 장은 전기장일 수 있고, 제 2 장 또는 추가의 장은 자기장일 수 있고, 반대의 경우도 동일하다. 2 개 이상의 장이 인가되는 경우, 이들 장은 순차적으로 또는 동시에 인가될 수 있다.
입자에 인가되는 장은 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면의 연장부에 대해 수직이거나 본질적으로 수직인 방향으로 인가되는 전기장일 수 있다.
전기장 및/또는 자기장의 인가 시, 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 내에 하나 이상의 입자의 경로가 형성된다. 가용성 매트릭스의 경우, 입자 하나 이상의 입자의 경로가 상기 가용성 매트릭스 내에 형성될 수도 있다. 하나 이상의 입자의 경로는 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면에 말단부를 포함한다. 입자의 이동은 사용된 장의 유형에 따라 전기영동, 유전영동, 자기영동, 또는 이들의 조합에 기인될 수 있다. 점성 재료를 포함한 매트릭스 내의 대부분의 입자가
점성 재료 내에서 배열되도록, 및/또는 가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 계면의 부근에 배열되도록 이동되지만, 일부의 입자는 점성 재료를 포함한 매트릭스로부터 가용성 매트릭스로 확산될 수도 있다. 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 하나 이상의 입자의 경로는 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 내에서 연속적으로 연결된 입자의 네트워크를 형성할 수 있다. 가용성 매트릭스의 존재에 기인되어 적어도 일부의 입자는 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스로부터 가용성 매트릭스 내로 돌출될 수 있고, 및/또는 가용성 매트릭스와 점성 재료를 포함한 매트릭스 사이의 계면에 배열될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 입자의 경로는 연속적이거나 부분적으로 연속적인 연결된 전도성 경로 또는 네트워크를 형성할 수 있다. 네트워크의 일부인 입자의 경로는 점성 재료를 포함한 매트릭스 내, 및 선택적으로 또한 가용성 매트릭스 내에 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 가용성 매트릭스를 제거하면 그 내부의 입자도 동시에 제거된다.
육안으로 또는 기구를 이용하여 보았을 때 입자가 정지되거나 본질적으로 정지된 경우 장의 인가가 중단될 수 있다. 전형적으로 이 공정은 본 명세서에서 설명되는 방법을 공업적 공정에서 사용할 수 있도록 몇 초 내지 몇 분 내에 완료된다.
본 명세서에서 설명되는 방법은,
- 하나 이상의 면을 포함한 지지체를 제공하는 단계,
- 상기 지지체의 상기 하나 이상의 면 상에 가용성 매트릭스를 침착시키는 단계,
- 상기 가용성 매트릭스 상에 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스를 침착시킴으로써 가용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이에 계면을 포함하는 구조물을 제공하는 단계,
- 상기 구조물 내의 입자를 전기장 및/또는 자기장에 노출시킴으로써 입자를 상기 계면에 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로로 형성하는 단계, 및
- 하나 이상의 입자의 경로를 고착시키기 위해 상기 점성 재료를 고착시키는 단계를 포함하고,
상기 말단부는 상기 가용성 매트릭스의 제거 시에 노출가능한 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 명세서에서 설명되는 방법은,
- 하나 이상의 면을 포함한 지지체를 제공하는 단계,
- 상기 지지체의 상기 하나 이상의 면 상에 가용성 매트릭스를 침착시키는 단계,
- 상기 가용성 매트릭스 상에 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스를 침착시킴으로써 상기 가용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 계면을 포함하는 구조물을 제공하는 단계,
- 추가의 가용성 매트릭스를 추가의 지지체와 접촉시키는 단계,
- 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 상에 상기 추가의 지지체와 접촉된 상기 추가의 가용성 매트릭스를 침착시킴으로써 상기 점성 재료를 포함한 매트릭스와 상기 추가의 가용성 매트릭스 사이에 제 2 계면을 형성하는 단계,
- 상기 구조물 내의 입자를 전기장 및/또는 자기장에 노출시킴으로써 입자를 상기 계면에 및/또는 상기 제 2 계면에 또는 상기 양자 모두의 계면에 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로로 형성하는 단계, 및
- 하나 이상의 입자의 경로를 고착시키기 위해 상기 점성 재료를 고착시키는 단계를 포함하고,
상기 말단부는 상기 수용성 매트릭스의 제거 시에 노출가능한 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 설명되는 제품은 인쇄된 전자장치, RF 차폐, 트랜지스터, 변형 센서, 멤브레인 스위치, 커패시터, 배터리, 디스플레이, 터치 스크린, 낙뢰 보호, 비등방성 전도성 필름, 스마트 윈도, 및 능동 디스플레이와 같은 다양한 용도에서 사용될 수 있다.
또한 인쇄된 전자장치를 형성하기 위해 본 명세서에서 설명된 바와 같은 방법의 용도가 제공된다.
또한 RF 차폐, 즉 무선 주파수 차폐를 형성하기 위해 본 명세서에서 설명된 바와 같은 방법의 용도가 제공된다.
또한 트랜지스터를 형성하기 위해 본 명세서에서 설명된 바와 같은 방법의 용도가 제공된다.
또한 변형 센서를 형성하기 위해 본 명세서에서 설명된 바와 같은 방법의 용도가 제공된다.
또한 의료용 감지 장치 또는 의료용 자극 장치를 형성하기 위해 본 명세서에서 설명된 바와 같은 방법의 용도가 제공된다.
또한 3 차원 형상의 전도성 경로를 형성하기 위해 본 명세서에서 설명된 바와 같은 방법의 용도가 제공된다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 예시적 실시형태를 참조하여 본 발명을 더 설명한다.
도 1은 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4), 및 매트릭스(2)와 매트릭스(3) 사이의 계면(5)을 포함하는 구조물을 도시한다.
도 2는 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4), 및 전기장에 노출된 매트릭스(2)와 매트릭스(3) 사이의 계면(5)을 포함하는 구조물을 도시한다.
도 3은 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 및 입자(4)를 포함하는 구조물을 도시한 것으로, 적어도 일부의 입자(4)는 가용성 매트릭스(2)와 매트릭스(3) 사이의 계면(5)에 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태를 갖는다.
도 4는 가용성 매트릭스(2), 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 및 입자(4)를 포함하는 구조물을 도시한 것으로, 적어도 일부의 입자(4)는 가용성 매트릭스(2)와 매트릭스(3) 사이의 계면(5)에 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태를 갖는다.
도 5는 점성 재료를 포함한 매트릭스(3) 및 입자(4)를 포함하는 구조물을 도시한 것으로, 적어도 일부의 입자(4)는 표면(6)에 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태를 갖는다.
도 6은 지지체(1), 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4) 및 가용성 매트릭스(2)를 포함하는 구조물을 도시한 것으로, 적어도 일부의 입자는 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태를 갖는다. 상기 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 가용성 매트릭스(2)와 매트릭스(3) 사이의 계면(5)에 배치된다.
도 7은 지지체(1), 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스(3) 및 입자(4)를 포함하는 구조물을 도시한 것으로, 적어도 일부의 입자는 표면(6)에 배치되는 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태를 갖는다.
도 8은 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4), 추가의 가용성 매트릭스(7), 및 추가의 지지체(8)를 포함하는 구조물을 도시한 것으로, 적어도 일부의 입자(4)는 계면(5) 및 계면(6)에 각각 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태를 갖는다.
도 9는 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4), 추가의 가용성 매트릭스(7), 및 추가의 지지체(8)를 포함하는 구조물을 도시한다. 매트릭스(3) 내에 수용되어 있는 적어도 일부의 입자(4)는 매트릭스(3)의 두께(9)보다 큰 선 치수(linear dimension)를 갖는다.
도 10은 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4), 추가의 가용성 매트릭스(7), 및 추가의 지지체(8)를 포함한 구조물을 도시한 것으로, 입자(4) 중의 적어도 일부는 양자 모두의 계면(5, 6)에말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태이고, 상기 하나 이상의 입자의 경로는 전기장에 의해 배열된 단일의 입자이다.
도면은 축척에 따라 작도되지 않았으며, 특정 기구의 치수는 명확한 도시를 위해 과장되어 있음에 주의해야 한다.
도 1은 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 점성 재료 및 입자(4)를 포함한 매트릭스(3)을 포함하는 구조물을 도시한다. 가용성 매트릭스(2), 점성 재료 및 입자(4)를 포함한 매트릭스(3)는 본 명세서에서 설명된 바와 같다. 입자(4)는 매트릭스(3) 내에 수용되어 있다. 가용성 매트릭스(2)와 매트릭스(3)의 비혼합성 또는 극도로 제한된 혼합성으로 인해 가용성 매트릭스(2)와 매트릭스(3) 사이에 계면(5)이 형성되어 있다. 이 구조물은 지지체(1)를 가용성 매트릭스(2)로 코팅하고, 다음에 선택적으로 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 다음에 가용성 매트릭스(2) 상에 입자(4) 및 점성 재료를 함유하는 매트릭스(3)가 침착된다.
도 2는 도 1에 도시된 구조물에 대한 전기장의 인가를 도시한다. 전기장의 인가 시, 입자(4)는 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로를 형성하고, 여기서 말단부는 가용성 매트릭스(2)와 매트릭스(3) 사이의 계면(5)에 배치되어 있다. 입자의 경로의 적어도 일부는 입자의 네트워크를 형성한다. 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 계면의 평면에 배치될 수 있고, 및/또는 계면(5)을 통해 매트릭스(3)로부터 가용성 매트릭스(2) 내로 돌출할 수 있다. 유리하게는, 전기장은 입자의 이동이 가시적으로 관측되지 않을 때까지 인가된다. 정렬이 지나치게 빠르거나 지나치게 느려서 용이한 관측이 곤란한 경우, 또는 입자의 성질로 인해 정렬의 관측이 곤란한 경우, 전기장에 대한 입자의 반응은 다른 수단에 의해 확인되거나 전기장이 제거된 후의 관측에 의해 확인될 수 있다.
전기장의 인가 후에 매트릭스(3)의 점성 재료는 고착되어 계면(5)에서 말단부를 포함하는 상기 하나 이상의 입자의 경로를 고착시킨다. 도 3은 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 고착된 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4) 및 계면(5)을 포함하는 얻어진 구조물을 도시한 것으로, 적어도 일부의 입자(4)는 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태이다. 적어도 일부의 입자 및/또는 하나 이상의 입자의 경로는 입자의 네트워크를 형성할 수 있다. 상기 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 매트릭스(3)의 점성 재료 내에 매립되지 않은 상태로, 또는 매트릭스(3)의 점성 재료에 의해 피복되지 않은 상태로 매트릭스(3) 사이의 계면의 평면에 위치됨으로써, 후속되는 가용성 매트릭스(2)의 제거 시에 노출될 수 있다. 더욱이, 일부의 입자 및/또는 상기 하나 이상의 입자의 경로의 말단부 및/또는 입자의 네트워크는 매트릭스(3)로부터 가용성 매트릭스(2) 내로 돌출될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 구조물로부터 지지체(1)를 제거함으로써 얻어지는 구조물을 도시한다. 이 얻어진 구조물은 가용성 매트릭스(2), 매트릭스(3), 입자(4), 및 계면(5)을 포함하고, 적어도 일부의 입자(4)는 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태이다. 상기 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 계면(5)에 배치된다. 이 말단부는 계면(5)의 평면에 위치될 수 있고, 및/또는 매트릭스(3)로부터 가용성 매트릭스(2) 내로 돌출될 수 있다.
용매를 이용한 세척이나 세정과 같은 적절한 화학적 수단에 가용성 매트릭스(2)를 노출시키면, 이 가용성 매트릭스(2)가 용해됨으로써 표면(6)에서 상기 하나 이상의 입자의 경로의 말단부가 노출된다. 이 말단부는 표면(6)의 평면에 위치되고, 및/또는 표면(6)으로부터 돌출될 수 있다. 얻어진 구조물은 도 5에 도시되어 있다. 외부 전기 수단은 상기 하나 이상의 입자의 경로의 노출된 말단부와의 연결을 통해 매트릭스(3) 내의 입자의 네트워크에 연결될 수 있다.
지지체(1)는 도 4에 도시된 구조물의 매트릭스(3) 상에 침착될 수 있다. 지지체(1)는 가용성 매트릭스(2)에 대면하는 면의 반대측의 매트릭스(3)의 면 상에 침착될 수 있다. 얻어진 구조물은 도 6에 도시되어 있다.
다음에 가용성 매트릭스(2)는 도 6에 도시된 구조물로부터 제거될 수 있다. 제거는 용매에 의한 세척 또는 세정과 같은 화학적 수단에 의해 실행될 수 있고, 그 결과 표면(6)에서 하나 이상의 입자의 경로의 말단부가 노출되고 및/또는 매트릭스(3)로부터 돌출된다. 얻어진 구조물은 도 7에 도시되어 있다.
도 8은 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4), 추가의 가용성 매트릭스(7), 및 추가의 지지체(8)를 포함하는 구조물을 도시한 것으로, 적어도 일부의 입자(4)는 계면(5) 및 계면(6)에 각각 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로의 형태를 갖는다. 입자(4)는 전기장에 노출되었고, 그 결과 입자(4)는 계면(5)으로부터 계면(6)까지 연장되는 하나 이상의 입자의 경로로 배열된다. 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 상기 계면의 평면에 배열될 수 있고, 및/또는 계면(5, 6)을 통해 매트릭스(3)로부터 가용성 매트릭스(2, 7) 내로 돌출할 수 있다. 이러한 구조는 가용성 매트릭스(2, 7)의 제거를 가능하게 하고, 외부 전기 수단은 상기 말단부에 연결될 수 있으므로 상기 하나 이상의 입자의 경로를 통한 전류의 흐름을 가능하게 한다.
도 9는 지지체(1), 가용성 매트릭스(2), 점성 재료를 포함한 매트릭스(3), 입자(4), 추가의 가용성 매트릭스(7), 및 추가의 지지체(8)를 포함하는 구조물을 도시한다. 매트릭스(3) 내에 수용되어 있는 적어도 일부의 입자(4)는 매트릭스(3)의 두께(9)보다 큰 선 치수(linear dimension)를 갖는다.
도 10은 도 9에 도시된 구조물에 대한 전기장의 인가를 도시한다. 전기장의 인가 시, 입자(4)는 전기장에 의해 배열 및/또는 회전되어 각각의 계면(5, 6)에서 말단부를 포함하는 하나 이상의 입자의 경로를 형성한다. 본 실시형태에서 상기 하나 이상의 입자의 경로는 단일의 입자를 포함하는 것이 이해될 것이다. 하나 이상의 입자의 경로의 말단부는 계면(5, 6)을 통해 매트릭스(3)로부터 가용성 매트릭스(2, 7) 내로 돌출할 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 입자의 경로는 상기 계면의 평면에 배열될 수 있다. 이러한 구조는 가용성 매트릭스(2, 7)의 제거를 가능하게 하고, 외부 전기 수단은 상기 말단부에 연결될 수 있으므로 상기 하나 이상의 입자의 경로를 통한 전류의 흐름을 가능하게 한다.
본 발명을 이하의 비제한적 실시예에 의해 더 설명한다.
실시예
실시예 1:
Dupont Teijin Melinex 453으로부터 구입된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재는 그 양면 중 일면 상에 코로나 처리가 실시되었다. 다음에, 50/40 Elvanol, PVA, 및 Du Pont으로부터 구입된 0.2 중량% 폴리에틸렌 글리콜 p-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)-페닐 에테르(Triton X100)을 포함하는 1 중량% 수용액의 형태의 폴리비닐알코올(PVA)이 계량형 코팅 로드 어플리케이터(rod applicator)를 사용하여 코로나 처리된 상기 PET 기재의 일면 상에 박막으로서 도포되었다. 이 코팅된 막을 대류 오븐 중에서 건조시켜 물을 제거하고, 막을 경화시킴으로써 PET 기재 상에 0.15 마이크로미터 내지 0.60 마이크로미터의 PVA 코팅 두께를 얻었다.
Sigma-Aldrich로부터 구입된 2 내지 3.5 마이크로미터의 크기를 가진 은 입자를 0.5 체적%의 농도로 Dymax Corporation로부터 구입된 자외선 경화성 접착제 Dymax 3094와 혼합하였다. 얻어진 접착성 혼합물을 로드 어플리케이터를 사용하여 상기 PVA 코팅 상에 막으로서 코팅하였다. 매트릭스 폴리머의 비화합성 및 그 상대 점성도로 인해 이들 재료는 상호 혼합되지 않았다. 이들 층은 층간에 명확한 계면을 가지고 분리되어 있었다. 입자가 많이 함유된 접착성 층은 약 80 마이크로미터의 두께를 가졌다.
PVA 코팅 및 입자-접착성 코팅을 포함하는 PET 기재를 PVA 및 접착제가 전극으로부터 먼 방향을 향하도록 전극 상에 설치하였다. 350 볼트의 전압 및 10 kHz의 주파수를 가진 상호결합된 전극을 사용하여 전기장을 생성하였다. 이 전기장은 은 입자에 전기 쌍극자를 유도함으로써 은 입자들을 최고 전기장을 가진 영역을 향해, 즉 접착성 층을 통해 PVA-접착성 계면을 향해 이동시킨다. 더욱이 은 입자는 쌍극자-쌍극자 상호작용을 통해 상호작용하여 연결된 연속적 네트워크를 형성하고, 최고 네트워크 밀도는 접착성-PVA 계면의 부근에 위치된다. 연결된 입자의 일부는 접착성 표면에 잔류되었고, 일부의 연결된 입자는 계면을 관통하였다. 양자 모두의 상황에서, 접착성 폴리머는 은 입자를 피복하거나 차폐하지 않는다. 입자가 확대 하에서 이동하지 않고, 연결된 것으로 보이는 경우, 입자의 네트워크는 고정되어 추가의 이동이 방지되었고, 이것에 의해 입자가 연결된 네트워크의 연속성이 보장되었다. 네트워크의 연결성을 위한 입자의 부동화는 UV 광원에 접착성 매트릭스를 노출(가교결합)시킴으로써 달성되었다. UV 광원은 접착성 매트릭스를 경화시키고, 매트릭스의 점성도를 증가시킴으로써 입자를 부동화시키고, 입자 네트워크를 파괴할 수 있는 입자의 이동 또는 표류(drift)를 억제시킨다. 전도성 입자를 포함한 접착성 매트릭스는 350 - 600 nm의 UV 스펙트럼 출력을 제공하는 200-와트의 수은 쇼트 아크 램프(short arc lamp)를 구비하는 Omnicure S2000를 사용하여 자외선 경화되었다.
막은 PVA 및 정렬된 입자가 풍부한 접착성 구조물로부터 PET를 손으로 벗겨냄으로써 분리되었다. 그 결과, PVA 층, 및 연속적으로 연결된 은 입자의 네트워크를 갖고, 최고의 네트워크 밀도는 계면에서 생성된 접착성 층을 포함하는 2 층의 구조물이 제공되었다.
이 2 층의 구조물의 노출된 접착성 층(PVA 코팅에 대면하는 면의 반대면)에 제 2 PET 지지체 막이 부착되었다. 그 후, PVA 코팅을 물로 세척하여 접착성 코팅의 계면에 입자의 네트워크 및 네트워크 노드(node)의 일부를 노출시켰다. 이 PVA가 완전히 제거된 후, 휴대형 열풍 히터를 사용하여 막을 건조시켰다.
위에서 설명한 바와 같은 세척 및 건조 후, 얻어진 구조물을 주사형 전자 현미경(SEM) 및 X선 원소 분석을 이용하여 분석하였다. SEM 분석은 20 kV의 장 전압을 사용하여 1500 배율로 실시되었고, X선 원소 분석은 약 0.5-1.0 μm의 침투 표면을 생성하는 전자빔 볼륨을 사용하였다. 그 결과 은 입자의 네트워크의 형성 및 이것의 폴리머 표면에의 노출이 확인되었다.
실시예 2:
Du Pont으로부터 구입된 50/40 Elvanol PVA의 2 중량%의 수용액의 형태의 PVA를 Goodfellow로부터 구입된 PET 기재 상에 계량형 코팅 로드 어플리케이터를 사용하여 50 μm로 도포하였다. 이 코팅된 막을 대류 오븐 중에서 건조시켜 물을 제거하고, 막을 경화시킴으로써 PET 기재 상에 약 1 마이크로미터의 PVA 코팅 두께를 얻었다. 다음에 PVA 코팅을 구비한 PET 기재를 소편으로 절단하고, 그 중 2 개의 소편을 2 개의 별개의 평평한 투명 전극 상에 PVA가 전극으로부터 먼 방향을 향하도록 설치하였다.
Sultzer Metco로부터 구입된 25 내지 90 마이크로미터의 크기를 가진 니켈 흑연 입자를 Edmund Optics로부터 구입된 자외선 경화성 접착제 Norland NOA81과 혼합하였다. 얻어진 접착성 혼합물을 상기 전극 중 하나의 상면 상의 PVA 코팅된 기재 상에 목재 어플리케이터 스틱을 사용하여 액적으로서 침착시켰다. 접착성 혼합물로부터 분리된 상기 전극의 상면 상에 150 μm의 규정된 두께를 가진 스페이서를 설치하였다. 다음에 PVA 코팅이 접착성 혼합물과 대면하는 상태에서 다른 전극을 혼합물의 상면에 가압하여 혼합물의 액적을 스페이서의 두께와 동등한 제어된 두께를 갖는 원형의 막으로 압착하였다.
PVA 및 접착성 혼합물의 비화합성 및 그 상대 점성도로 인해 재료는 상호 혼합되지 않았다. 얻어진 적층체는 일련의 층으로 구성되었고, 일단부로부터 타단부까지 전극, 기재, PVA, 입자가 풍부한 접착성 혼합물, PVA, 기재, 전극을 포함하였다. 모든 층은 층간에 명확한 계면을 가지고 분리되어 있었다.
350 볼트의 전압 및 10 kHz의 주파수를 인가함으로써 전극들 사이에 전기장을 조성하였다. 이 전기장에 의해 은 입자 내에 전기 쌍극자가 유도됨으로써 은 입자들은 결집되어 연결된 사슬로 정렬되었다. 이 입자의 사슬은 접착성 혼합물의 평면에 대해 수직으로 연장되어 혼합물의 양면 상의 PVA-접착성 계면들 사이의 간극에 걸쳐있는 적층형 입자의 기둥을 형성하였다. 전극의 한정된 크기로 인해, 전기장은 전극들 사이의 간극의 중심에서보다 전극의 부근에서 다소 더 강하다. 이것에 의해 니켈 흑연 입자 상에 유전영동 힘이 유발되고, 이것은 입자 사슬의 양단부를 접착성-PVA 계면으로 당긴다. 연결된 입자의 일부는 접착성 표면에 잔류되었고, 일부의 연결된 입자는 계면을 관통하였다. 양자 모두의 상황에서, 접착성 폴리머는 PVA-접착성 계면에서 니켈 흑연 입자를 피복하거나 차폐하지 않는다.
1 분 후, 확대 하에서 보았을 때, 입자가 더 이상 이동하지 않는 것으로 보이는 경우, 추가의 이동을 방지하기 위해, 그리고 입자 연결된 네트워크의 연속성을 보장하기 위해 UV 광원을 이용하여 접착성 혼합물을 경화(가교결합)시킴으로써 입자의 네트워크를 고정하였다. UV 광은 투명 전극, 기재 및 PVA를 통해 적층체의 중심의 접착성 혼합물로 침투되어 이를 경화시킨다. 정렬된 전도성 입자를 포함하는 접착성 혼합물을 UV 광에 노출시키면, 접착성 혼합물이 경화되고, 매트릭스의 점성도가 향상되므로, 입자의 이동이 억제된다. 이 정렬되고, 연결된 입자 사슬을 가진 매트릭스(접착성)는 Dymax BlueWave200 스폿 라이트(spot light) 시스템을 사용하여 자외선 경화되었다.
막은 처음에 PET로부터 전극을 손으로 분리시키고, 다음에 PVA 및 정렬된 입자가 풍부한 접착성 구조물로부터 PET를 벗겨냄으로써 분리되었다. 그 결과, PVA 층, 층에 평행하게 정렬된 니켈 흑연 입자의 연속적으로 연결된 네트워크를 갖는 접착성 층, 및 제 1 PVA 층의 반대면 상의 PVA 층을 포함하는 3 층의 구조물이 제공되었다.
그 후, PVA 코팅을 물로 세척하여 접착성 층의 양면 상의 계면에 네트워크 노드를 노출시켰다. PVA가 완전히 제거된 후, 막을 15 분 동안 대기 중에서 건조시켰다.
위에서 설명한 바와 같은 세척 및 건조 후, 각각 약 1 평방 센티미터의 표면적을 가진 2 개의 구리 편 사이에 상기 층을 개재시킴으로써 접착성 층의 전도성 성질을 확인하였고, 멀티미터를 사용하여 구리 편들 사이의 저항을 측정하였다. 측정된 저항은 약 10 옴이었다.

Claims (13)

  1. 수용성 또는 비수용성 매트릭스의 제거 시에 노출되는 말단부를 갖는 하나 이상의 입자 경로를 제공하기 위해, 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스의 계면에 입자를 배열하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은,
    - 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스를 하나 이상의 면을 포함한 지지체와 접촉시키는 단계 － 상기 지지체의 하나 이상의 면은 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 대면함 －,
    - 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스와 접촉되도록 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스를 배치함으로써, 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이에 하나 이상의 계면을 포함하는 구조물을 제공하는 단계,
    - 상기 구조물 내의 상기 입자를 전기장 및 자기장 중 하나 이상에 노출시킴으로써 상기 입자를 하나 이상의 경로로 형성하는 단계 － 상기 하나 이상의 입자의 경로는 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스와 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 사이의 상기 하나 이상의 계면에 말단부를 포함함 －, 및
    - 상기 하나 이상의 입자의 경로를 고착시키기 위해 상기 점성 재료를 고착시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 말단부는 상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스의 용해에 의한 제거 시에 노출되고,
    상기 수용성 매트릭스는 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스 에테르, 폴리에틸렌 산화물, 전분, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐 메틸에테르-말레산 무수물, 폴리말레산 무수물, 스티렌 말레산 무수물, 히드록시에틸 셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리아크릴산 염, 알지네이트, 아크릴아미드 코폴리머, 구아검, 카세인, 에틸렌-말레산 무수물 수지, 폴리에틸렌이민, 에틸 히드록시에틸셀룰로오스, 에틸 메틸셀룰로오스, 및 히드록시에틸 메틸셀룰로오스로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 수용성 폴리머를 포함하거나, 상기 수용성 폴리머로 구성되고,
    상기 점성 재료는 하나 이상의 폴리머, 모노머 또는 올리고머를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 점성 재료는 접착성 재료 및 탄성중합체 재료 중 하나 이상인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 점성 재료는 300 cP 이상의 점성도를 가지는, 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 점성 재료는 300 cP 내지 40000 cP의 점성도를 가지는, 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스는 입자를 포함하는, 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 입자의 경로는 입자의 네트워크의 일부를 형성하는, 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지체의 하나 이상의 면을 코로나 처리, 플라즈마 처리 또는 화염 처리로부터 선택된 표면 개질 기법으로 처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수용성 또는 비수용성 매트릭스, 및 상기 점성 재료 및 입자를 포함한 매트릭스 중 하나 이상으로부터 상기 지지체를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수용성 매트릭스는 물 또는 수용액으로 세척함으로써 제거되는, 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 비수용성 매트릭스는,
    산,
    염기, 또는
    유기용매, 또는 알코올, 에스테르, 케톤, 알데히드, 에테르 또는 탄화수소
    로 세척함으로써 제거되는, 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 입자는
    전도성 입자, 또는
    탄소 입자, 금속 입자 및 금속 합금의 입자 중 하나 이상을 포함하는,
    계면에 입자를 배열하기 위한 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 입자의 하나 이상의 경로는 입자의 도전성 경로인,
    계면에 입자를 배열하기 위한 방법.
  13. 삭제
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