KR20030058933A - 낮은 마이크로파 손실을 갖는 저 밀도 유전체 - Google Patents

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Abstract

마이크로파 투과성 중합체를 포함하는 매트릭스 재료 및 매트릭스 중에 분산된 입상 충전제 약 1 내지 65 부피％를 포함하는 복합 재료가 설명된다. 이 입상 충전제는 충전제 입자 상의 전기 전도성 코팅, 100 ㎛ 이하의 소 치수를 갖는 약 2 대 1보다 큰 종횡비를 갖는 입자 및 약 0.5 ㎜ 이하의 대 치수를 갖는 회전타원체 및 타원체로부터 선택된 입자, 및 약 1.2 내지 100의 복합 재료 유전 상수 및 1 GHz에서 약 0.10 이하의 복합 재료 마이크로파 손실 정접을 겸비할 수 있도록 하기에 충분한 입자 크기 및 코팅 두께의 조합을 특징으로 한다.

Description

낮은 마이크로파 손실을 갖는 저 밀도 유전체 {Low Density Dielectric Having Low Microwave Loss}
마이크로파 렌즈 및 안테나는 고 유전 상수 충전제를 함유하는 마이크로파 투과성 고 유전체, 예를 들면 플라스틱으로부터 제조될 수 있다.
고밀도 무기 화합물, 예를 들면 이산화티탄 및 티탄산바륨은 마이크로파 적용분야용 고 유전체의 제조시에 충전제로서 사용될 수 있다. 이들 충전제의 부피 담지량을 증가하여 복합 재료의 유전 상수를 상승시킬 때, 복합 재료의 밀도도 또한 증가된다. 보다 낮은 밀도의 고 유전체는 저 밀도 재료의 비교적 큰 입자 상에 금속을 코팅시킴으로써 제조되어 왔다.
미소구는 비교적 작고, 충실품이거나 또는 중공품인 실질적으로 구형의 입자이다. 중공 미소구는 또한 미소버블(microbubble)로도 불리운다. 미소구는 주로 유리로 이루어진다. 금속 코팅을 갖는 미소구가 고분자 제품 내에 혼입되어 왔다.
<발명의 요약>
요약하면, 본 발명은 마이크로파 투과성 중합체를 포함하는 매트릭스 재료및 매트릭스 중에 분산된 입상 충전제 약 1 내지 65 부피％를 포함하는 복합 재료를 제공한다. 입상 충전제는 충전제 입자 상의 전기 전도성 코팅, 100 ㎛ 이하의 소 치수를 갖는 약 2 대 1보다 큰 종횡비를 갖는 입자 및 약 0.5 ㎜ 이하의 대 치수를 갖는 회전타원체 및 타원체로부터 선택된 입자, 및 약 1.2 내지 100의 복합 재료 유전 상수 및 1 GHz에서 약 0.10 이하의 복합 재료 마이크로파 손실 정접을 겸비할 수 있도록 하기에 충분한 입자 크기 및 코팅 두께의 조합을 특징으로 한다.
다른 면에서, 본 발명은 마이크로파 투과성 중합체를 포함하는 매트릭스 재료 및 매트릭스 중에 분산된 미소구를 포함하는 충전제 약 1 내지 65 부피％를 포함하는 복합 재료를 제공한다. 충전제 미소구는 전기 전도성 코팅을 포함하는데, 이 때 특히 유용한 전기 전도성 코팅의 예로는 알루미늄, 스텐레스 강, 티타늄 및 텅스텐을 들 수 있다. 충전제 미소구는 또한 10 내지 350 ㎛ 범위의 평균 입자 크기; 약 3.5 g/cc 이하의 밀도; 및 약 1.2 내지 100의 복합 재료 유전 상수 및 1 GHz에서 약 0.10 이하의 복합 재료 마이크로파 손실 정접을 겸비할 수 있도록 하기에 충분한 입자 크기 및 코팅 두께의 조합을 특징으로 한다.
본 명세서에서 사용될 때;
"매트릭스"는 연속 또는 불연속일 수 있고 공극 및(또는) 기체를 포함할 수 있는 중합체 재료의 망상조직을 의미하고;
"충전제"는 중공 또는 충실한 것일 수 있으며 무기 재료, 예를 들면 유리 또는 세라믹, 또는 유기 재료, 예를 들면 중합체로부터 제조될 수 있고, 구, 섬유 및(또는) 플리에크와 같은 다양한 형태일 수 있는, 코팅되거나 또는 코팅되지 않은입자를 의미하고;
"전기 전도성"은 약 10-6내지 100ohm-cm의 저항률을 갖는 것을 의미하고;
"대 치수"는 입자의 직경, 길이, 폭, 횡단면 또는 두께의 최대치를 의미하고, "소 치수"는 입자의 직경, 길이, 폭, 횡단면 또는 두께의 최소치를 의미하며, 이 때 대 치수 및 소 치수는 모두 표준 스크리닝 기술 또는 입자 분립(sizing) 장치에 의해 직접 측정되거나 또는 분류될 수 있고;
"실질적으로 중공"은 적어도 어느 정도의 공극 또는 기체를 포함하는 것을 의미하고;
"버블"은 일반적으로 구 형태를 갖는 실질적으로 중공 입자를 의미하고;
"미소버블" 및 "미소구"는 약 350 ㎛ 입자 크기 이하의 구를 의미하고;
"밀도"는 ASTM D2840에 설명된 바와 같은 입상 재료의 중량 대 부피의 비를 의미하고;
중공 미소구에 적용될 때 "용융 가공처리가능한"은 대표적으로는 중합체 용융물과의 혼합 또는 렌즈 또는 안테나를 제조하기 위한 성형 작업 동안에 만나게 되는 압력을 미소구 대부분이 부서지지 않도록 견딜 수 있는 것을 의미하고;
"금속 코팅된"은 전기 연속성 금속층에 의해 실질적으로 둘러싸여진 것을 의미하고;
"화학 발포제"는 압출가능한 중합체 내로 혼입될 수 있고 압출 동안에 사용되는 온도 이상의 온도에서 분해되어 질소 또는 이산화탄소와 같은 기체를 생성시켜서, 재료를 그의 분해 온도 이상으로 가열시켰을 때 중합체 매트릭스 중에 공극을 도입시킬 수 있는 물질을 의미하고;
"상당히 파괴된"은 저 밀도 충전제로서 비효율적으로 만들 수 있을 정도로 손상된 미소구를 의미한다.
본 발명의 이점은 마이크로파 주파수 영역에서 낮은 유전 손실을 갖는 저 밀도 소정의 유전 상수를 갖는 복합 재료를 제공하는 것이다. 복합 재료 유전 상수는 넓은 범위 내에서 선택될 수 있다. 복합 재료 중의 바람직한 충전제의 부피 비율의 증가는 복합 재료의 유전 상수를 증가시킨다. 몇몇 실시태양에서는, 충전제의 부피 비율의 증가가 복합 재료의 밀도를 증가시키기 보다는 감소시킨다. 이들 본 발명의 재료는 예를 들면, 마이크로파 안테나 및 마이크로파 렌즈 적용분야에, 특히 중량이 중요한 고려사항인 분야에 유용하다.
본 발명은 저 밀도, 낮은 마이크로파 손실 및 소정의 유전 상수를 갖는, 충전제 및 중합체를 포함하는 복합 재료에 관한 것이다.
도 1은 이산화티탄 충전제를 함유하는 기준 복합 재료 및 본 발명의 복합 재료의 다양한 충전제 담지량을 갖는 복합 재료의 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 이산화티탄 충전제를 함유하는 기준 복합 재료 및 본 발명의 복합 재료의 다양한 충전제 담지량을 갖는 복합 재료의 유전 상수를 나타내는 그래프이다.
도 3은 15 부피％의 충전제를 갖는 본 발명의 복합 재료의 한 실시태양의 10 GHz에서 측정된 유전 정접 대 3개의 금속의 코팅 두께를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 복합 재료는 저 밀도, 마이크로파 주파수 영역 내의 낮은 유전 손실, 및 약 1 내지 100 범위로부터 선택될 수 있는 유전 상수를 갖는다.
매트릭스 재료는 연속 또는 불연속일 수 있다. 매트릭스 재료의 중합체는 충실한 것이거나 발포될 수 있다. 매트릭스 재료는 충전제 재료들을 함께 결합시키는 작용을 하는 마이크로파 투과성 중합체를 포함한다. 이것은 바람직하게는 65 ℃(150 ℉) 이상(보다 바람직하게는 65 ℃(150 ℉) 이상)의 온도에서 안정하다. 이것은 대표적으로는 저렴하며, 바람직하게는 중량 기준으로 복합 재료 중의 가장 적은 비용의 재료이다.
손실 정접이 일반적으로 중합체의 극성 또는 방향족성 및 복합 재료 중에 포함된 양과 함께 증가되기 때문에, 본 발명에 유용한 마이크로파 투과성 중합체는 비극성 재료로부터 극성 또는 방향족 재료의 범위이다. 따라서, 극성 또는 방향족 재료가 적은 양으로 존재하는 경우 본 발명에 유용하다. 복합 재료 중의 많은 양의 중합체로는 비극성 및 포화된 재료가 바람직하다. 본 발명에 유용한 마이크로파 투과성 중합체는 바람직하게는 마이크로파 주파수를 흡수하는 상당한 관능가를 갖지 않는다.
유용한 중합체의 예로는 셀룰로스 아세테이트, 천연 고무, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 플루오로중합체, 폴리우레탄, 합성 고무, 및 실리콘을 들 수 있다. 폴리올레핀이 낮은 비용, 마이크로파 투과율, 및 가공처리의 용이함을 포함하는 특성 때문에 바람직하다. 포화된 폴리올레핀 및 어느 정도 불포화된 세그먼트를 포함하는 폴리올레핀이 방향족 세그먼트 및 보다 큰 극성을 갖는 중합체를 포함하는 재료보다 더 바람직하다. 적합한 엘라스토머 결합제는 천연 고무, 합성 고무 및 실리콘 화합물을 포함한다.
매트릭스 재료는 또한 마이크로파 흡수 방향족탄화수소 및 마이크로파를 흡수하는 관능기를 갖는 중합체를 포함할 수 있는데, 단 이들의 양은 1 GHz에서 0.10 이상의 복합 재료 유전 손실 정접을 증가시키기 불충분하다.
입상 충전제는 복합 재료의 유전 상수를 증가시키는데 사용된 대표적인 충전제보다 낮은 밀도를 갖고, 복합 재료 내로 혼합되었을 때 유전 손실을 상당히 증가시키지 않는다. 충전제 크기, 형태, 및 조성은 구체적인 적용분야 및 주파수 범위에 대하여 선택되며, 미소구, 바늘 모양의 섬유 및(또는) 플레이크가 바람직하다. 충전제는 하기하는 바와 같이, 전기 전도성 재료로 코팅된다. 본 발명의 복합 재료 중의 입상 충전제의 밀도는 바람직하게는 약 3.5 g/cc 이하(보다 바람직하게는 2.7 g/cc 이하)이다. 몇몇 적용분야의 경우, 약 1.0 g/cc 이하의 밀도를 갖는 입상 충전제가 바람직하다. 특정 적용분야에 바람직한 복합 재료의 유전 상수는 사용된 충전제의 타입 및 양에 의해 결정된다. 바람직한 유전 상수가 증가할 때, 이산화티탄 또는 티탄산바륨 충전제와 함께 제조된 당 업계에 공지된 재료는 보다 큰 충전제 함량 및 증가하는 밀도로 제조되어야 한다. 바람직하게는, 본 발명의 복합 재료의 밀도는 유전 상수가 증가함에 따라 감소된다.
바늘 모양의 섬유는 중합체 재료, 또는 무기 재료, 예를 들면 세라믹 또는 밀드(milled) 유리를 포함할 수 있다. 바람직한 바늘 모양의 섬유는 세분된 스트랜드 유리 섬유[미국 오하오이주 톨레도 소재 오웬스 코닝(Owens Corning)으로부터 화이버글라스(Fiberglas)(등록상표) 밀드 화이버즈(Milled Fibers) 731ED 1/32 인치로 입수할 수 있음]이다. 이들 섬유는 15.8 ㎛의 평균 직경 및 40:1의 종횡비를 갖는다. 무기 플레이크로는 운모가 바람직하다. 바람직한 운모 플레이크 재료는 2.9 g/cc의 밀도 및 2.8 m2/g의 평균 표면적을 갖는다[캐나다 온타리오주 토론토 소재 제멕스 인더스트리얼 미네랄즈, 인크.(Zemex Industrial Minerals, Inc.)로부터 수조라이트(Suzorite)(등록상표) 200HK로서 입수할 수 있다]. 중공 미소구는 종래적으로 복합체 유전 상수를 증가시키는데 사용된 충전제, 예를 들면 이산화티탄에 비하여 바람직하다. 상기 미소구는 바람직하게는 유리, 세라믹, 및(또는) 중합체 재료로부터 형성된다. 미소구로 바람직한 재료는 유리이지만, 세라믹 및 중합체 물질이 적합하다.
바람직한 입상 충전제는 중공 유리 미소구를 포함한다. 10 내지 350 ㎛ 범위의 평균 외부 직경이 적합하다. 미소구의 평균 외부 직경의 바람직한 범위는 15 내지 50 ㎛이다. 미소구로 바람직한 밀도는 ASTM D2840을 따라 측정하였을 때 약 0.25 내지 0.75 g/cc(보다 바람직하게는, 약 0.30 내지 0.65 g/cc)이다. 바람직한 유리 미소구는 소다-석회-보로실리케이트 유리[미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩처링 캄파니(Minnesota Mining and Manufacturing Co.)(3M)으로부터 입수할 수 있는 스코치라이트(Scotchlite)(등록상표) 글래스 버블즈(Glass Bubbles)]이다. 일반적으로, 이들 미소구는 미소구가 상당히 파괴되지 않고서 바람직하게는 약 6.9 MPa(1,000 psi) 이상의 정수압을 견딜 수 있을 정도로 충분히 강해야 한다. 분쇄된 미소구는 복합 재료 밀도를 증가시키고, 본 발명의바람직한 저 밀도, 낮은 마이크로파 손실 특징에 기여하지는 않는다. 바람직한 타입 K37 스코치라이트(등록상표) 글래스 버블즈는 이러한 목적을 만족시킨다. 이들 K37 글래스 버블즈는 0.37 g/cc의 평균 밀도, 약 40 ㎛의 평균 직경, 및 90％의 표적 비파괴율 및 80％의 최소 비파괴율을 갖는 3,000 psi(20.7 MPa)의 등압 파열 강도를 갖는다. 비록 이들이 0.60 g/cc의 보다 큰 평균 밀도를 갖더라도 더욱 더 강한 미소구, 예를 들면 10,000 psi(68.9 MPa)의 등압 파열 강도 및 약 30 ㎛의 평균 직경을 갖는 S60/10,000 스코치라이트(등록상표) 글래스 버블즈가 사용될 수 있다.
입상 충전제는 복합 재료의 약 1 내지 65(보다 바람직하게는 약 5 내지 45) 부피％를 구성한다. 약 1 부피％ 이하의 양에서는 복합 재료의 유전 상수에서 중요한 변화가 일어나지 않는다. 약 65 부피％ 이상의 양은 이들이 복합 재료를 함께 보유하기에 매트릭스 재료가 불충분할 수 있기 때문에 덜 바람직하다. 발포된 또는 재료부족된 매트릭스 복합 재료에서는 나머지 35 부피％의 상당량이 공기 또는 다른 기체일 수 있다. 범위의 보다 높은 쪽의 충전제 부피 담지량 인자를 갖는 본 발명의 실시태양은 바람직하게는 본 발명의 복합 재료를 용융 가공처리할 때 미소구를 상당히 파괴시키지 않도록 하기 위하여 보다 강한 미소구, 예를 들면 S60/10,000을 들 수 있다.
충전제를 실질적으로 둘러싸기 위하여 입상 충전제의 표면 상에 전기 전도성 코팅층이 제공된다. 전기 전도성 코팅 재료는 특정 적용분야의 주파수 범위를 고려하여 선택된다. 바람직한 특성은 사용된 두께에서 표면의 습윤성, 저 비용 및 재료의 입수용이함이다. 바람직한 재료로는 알루미늄, 스텐레스 강, 티타늄 및 텅스텐을 들 수 있다.
코팅이 표면 상에 비이드를 형성할 때 일어나는 것과 같은 전기 전도성 재료의 불연속층은 유전 상수를 감소시킬 수 있기 때문에 좋지 못하다. 바람직하게는, 전기 전도성 코팅층 두께는 마이크로파 주파수 범위에서 낮은 손실을 갖는 복합 재료의 경우 약 5 내지 500 나노미터(㎚)(보다 바람직하게는 약 10 내지 100 ㎚) 범위이다. 두께가 약 100 ㎚ 이하인 층은 보다 낮은 밀도 복합 재료에 더욱 바람직하다.
주어진 크기의 충전제 입자의 경우, 전기 전도성 코팅의 두께 및 타입은 유전 손실량에 있어서 중요한 인자이다. 매우 얇은 코팅이 매우 높은 마이크로파 손실을 초래함을 발견하였다. 임의의 구체적인 이론으로 형성되길 바라지는 않지만, 이것은 마이크로파 복사선의 전기장과의 커플링 때문인 것으로 생각된다. 이러한 타입의 마이크로파 손실은 전기 전도성 코팅 두께가 증가함에 따라 감소된다. 그러나, 전기 전도성 코팅 두께가 증가함에 따라, 마이크로파 전자선의 자기장 성분과의 커플링에 기인한 마이크로파 손실은 증가한다. 마이크로파 전자선의 2가지 성분 모두와의 커플링이 낮은 중간의 전기 전도성 코팅 두께에서 최소한의 마이크로파 손실이 달성되었다.
복합 재료의 마이크로파 손실은 적어도 6개의 변수: 즉, (1) 금속 두께, (2) 금속 타입, (3) 충전제 형태, (4) 충전제 크기, (5) 마이크로파 주파수, 및 (6) 복합체 내 매트릭스 재료의 마이크로파 손실에 의해 영향을 받는다. 주어진 주파수 및 충전제 형태 및 크기에서, 손실은 금속 타입 및 두께에 따라 변화된다. 각 금속은 일반적으로 특정 실험적으로 결정된 금속 두께에서 최소한의 손실을 갖는다. 이것은 미소구가 각각 몇개의 상이한 두께 값을 갖는 3개의 상이한 금속으로 코팅된 도 3에서 예시된다. 볼 수 있는 바와 같이, 각 금속은 상이한 금속 두께에 의해 달성된 최소한의 손실을 가졌다. 보다 낮은 손실은 또한 미소버블 또는 섬유의 직경이 감소되거나 또는 플레이크의 두께가 감소될 때 금속 두께 범위의 보다 낮은 쪽 부근의 금속 코팅으로 얻어진다. 낮은 손실 값은 마이크로파 주파수가 증가할 때 얻기 더욱 어렵다.
실질적으로 전기 전도성 절연층이 전기 전도성 코팅 상에 제공될 수 있다. 이러한 절연층은 바람직하게는 입상 충전제를 실질적으로 둘러싼다. 이 층은 예를 들면 예방되지 않을 경우 전기 전도성 층의 유효 두께를 감소시킬 수 있는 시간에 따른 산화를 예방함으로써 전기 전도성 층을 안정화시킬 수 있다. 몇몇 얇은 전기 전도성 코팅은 코팅의 일부분 또는 코팅 전체가 비전도성으로 되도록 산화되기 쉽다. 예를 들면, 얇은 텅스텐 코팅은 공기에 노출될 때 때때로 몇 시간 내에, 분말 저항률의 측정가능한 변화를 나타낸다. 진한 회색 내지 흑색 금속층이 백색 또는 무색 산화물로 전환될 때 금속 코팅된 입자의 색의 완전한 표백은 수 일 또는 수 주 내에 일어날 수 있다. 보호 절연층, 예를 들면 아산화알루미늄의 첨가는 이를 예방한다. 최소한의 흡수를 위해 최적화된 전기 전도성 코팅의 부분적인 산화의 경우에 대한 예측되는 결과는 유효 두께가 감소하게 되어 흡수의 증가를 야기시킨다는 것이다. 완전히 산화된 코팅의 경우에 대한 예측되는 결과는 금속 산화물 코팅된 입자가 고 유전 충전제로서 기능하지 않게 된다는 것이다.
이러한 절연층은 예를 들면 약 4 ㎚로 얇을 수 있다. 이 코팅용 재료는 바람직하게는 바람직하지 못한 화학 반응을 피하기 위하여 전기 전도성 코팅과의 상용성에 대하여 선택된다. 예를 들면, 알루미늄이 전기 전도성 코팅에 사용될 때, 이산화알루미늄이 절연층으로 적합하다.
절연층은 임의의 유용한 수단에 의해 제공된다. 일반적으로, 이것은 전기 전도성 층이 알루미늄을 포함할 때 산화알루미늄과 같이, 전기 전도성 코팅 재료의 산화물을 형성하기에 충분한 조건 하에서 및 양으로 증착 공정에 산소를 도입시킴으로써 달성된다.
유전체는 추가의 절연층과 함께 또는 추가의 절연층 없이 충전제를 사용하여 제조될 수 있다는 것을 실험으로 통하여 발견하였다. 보다 낮은 부피 담지량에서는 단지 아주 가끔 구들 사이의 접촉이 일어나서 유전 특성을 변화시킨 다음 단지 미미한 양으로 일어난다. 그러나 보다 높은 부피 담지량에서는, 충전제 입자들이 전기 접촉하기가 보다 쉽다. 이러한 접촉은 재료가 전자기 복사선을 투과시키기 보다는 흡수하고 반사할 수 있는 약하게 전기 전도성 재료가 되도록 할 수 있다. 비록 이러한 재료가 상당한 유전 상수를 가질 수 있다 하더라도, 수반되는 마이크로파 유전 손실은 그의 용도를 제한시키게 된다. 예를 들면, 렌즈는 상당량의 시그널을 굴절시킬 뿐만 아니라 흡수하기도 한다. 절연층의 첨가는 입자들 사이의 전기 전도성을 상당히 감소시킬 수 있어서, 전자기 에너지를 흡수하기 보다는 투과시키는 고 유전체가 형성될 수 있다.
상용화제를 갖거나 또는 갖지 않는 2종 이상의 중합체의 블렌드 역시 결과로얻어지는 블렌드가 의도하는 적용분야에 충분한 기께적 특성을 갖기만 한다면 사용될 수 있다. 낮은 코팅된 충전제 담지량 및 약 1 GHz 이하의 낮은 주파수에서, 거의 모든 중합체는 비록 상당한 극성을 갖는 것일지라도, 매트릭스 재료 중에서 기능할 수 있게 된다. 코팅된 충전제 담지량이 증가함에 따라 및 주파수가 증가함에 따라 마이크로파 손실이 증가하여, 보다 적은 관능가 및 보다 적은 방향족성을 갖고 극성을 갖지 않는 중합체가 바람직하다. 약 6 내지 10 GHz의 복합 재료 적용분야의 경우, 폴리올레핀 및 폴리테트라플루오로에틸렌이 가장 바람직하다. 따라서, 본 발명은 높은 MHz(108Hz 이상) 내지 높은 GHz(1012Hz 이상) 범위의 낮은 손실을 갖는 복합 재료를 제공한다.
본 발명의 복합 재료는 본 발명의 복합 재료와 조성이 유사한 기준 복합 재료와 비교할 수 있다. 이 기준 복합 재료는 본 발명의 복합 재료의 유전 상수의 약 5％ 내의 유전 상수를 제공하기 위하여, 충분량의 이산화티탄 또는 티탄산바륨 충전제 또는 다른 적합한 상업적으로 입수할 수 있는 마이크로파 투과성 충전제를 함유한다. 본 발명의 복합 재료는 본 발명의 충전제를 함유한다. 본 발명의 복합 재료는 바람직하게는 기준 복합 재료의 밀도의 약 95％보다 적은(보다 바람직하게는 85％ 미만) 밀도를 갖는다.
상기한 내용을 살펴보면, 본 발명의 바람직한 충전제 재료는 4가지 특성, 즉 전기 전도성 코팅; 전기 전도성 코팅을 에워싸는 비-전기 전도성 층; 낮은 밀도; 및 용융 가공처리될 수 있는 충분한 강도를 갖는 유리 미소구이다. 본 발명에 보다 바람직한 충전제 재료는 더욱 더 낮은 밀도를 갖는 중공 유리 미소구이다.
비-전기 전도성 충전제 입자, 예를 들면 유리 버블 또는 밀드 유리 섬유를 임의의 유용한 수단에 의해, 예를 들면 종래의 코팅 기술에 의해 얇은 금속 필름으로 코팅될 수 있다. 이들 기술로는 물리적 증착 방법, 예를 들면 스퍼터 증착, 증발 코팅, 및 음극 아크 코팅, 화학 증착, 및 용액 코팅 기술, 예를 들면 무전해 도금 또는 미러링(mirroring)을 들 수 있다. 각 경우, 입자 표면이 금속원에 적절하게 노출되어 입자가 균일하게 코팅될 수 있도록 하고, 적절한 필름 두께가 얻어질 수 있도록 하기 위하여 적절한 주의를 기울여야 한다. 예를 들면, 스퍼터 증착시에, 입자는 코팅 두께가 노출 시간 및 증착 속도에 의해 조절되는 금속 증기 플럭스 하에서 교반될 수 있다. 절연 코팅은 유사한 방법으로, 예를 들면 입자 표면 부근에서 산소를 첨가함과 동시에 금속을 증착시킴으로써 제공될 수 있다.
코팅된 입자들을 열가소성 재료 내로 혼입시킴으로써 복합 재료를 형성시킬 수 있다. 이것은 임의의 유용한 수단에 의해, 예를 들면 열가소성 재료를 용융시키고 코팅된 입자들을 용융물 내로 기계적으로 혼합시킴으로써 행해질 수 있다. 이러한 방법에 대표적인 장치로는 1축 및 2축 스크류 압출기를 들 수 있으며, 이에 대한 공정 조건은 바람직하게는 코팅된 입자들이 마모 및 파손과 같은 기계적 손상을 겪지 않으면서 열가소성수지와 균질하게 및 균일하게 블렌딩되도록 선택된다. 형성된 복합 재료는 임의의 유용한 수단에 의해 완제품으로 성형될 수 있다. 이러한 완제품의 예로는 렌즈 및 평면 안테나를 들 수 있다. 용융 가공처리 기술, 예를 들면 사출 성형, 또는 열 단프레스가 사용될 수 있다.
입상 충전제가 실질적인 공극 없이 매트릭스 재료에 실질적으로 포함될 때 연속 매트릭스가 생성된다. 불연속 매트릭스는 연속 매트릭스에 사용된 것보다 낮은 양의 매트릭스 재료로 형성된다. 입상 충전제는 불연속 매트릭스 중에서 함께 결합되고, 연속적인 경로는 보통 매트릭스 재료를 떠나지 않고서 망상조직 전체에 걸쳐 흔적을 발견할 수가 없다.
복합 재료는 매트릭스를 구성하는 중합체보다 낮은 유전 상수를 갖는 다른 성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 공극 또는 기체가 충전제와 함께 복합 재료 내로 혼입되어 유사한 조성을 갖는 발포되지 않은 매트릭스보다 일반적으로 밀도가 더 낮은 발포된 매트릭스를 야기시킬 수 있다. 공기 또는 다른 기체의 중합체 내로의 혼입은 보통 밀도를 감소시키지만, 유전 상수도 또한 감소시키게 된다. 본 발명의 이점은 금속 코팅된 중공 미소구 충전제의 중합체로의 첨가가 복합체 유전 상수가 발포된 매트릭스 재료 내 충전되지 않은 중합체의 것에 대략 이르도록 한다는 것이다. 즉, 발포된 복합 재료는 매트릭스 내 중합체의 유전 상수와 동일하거나 또는 유사한 유전 상수를 가질 수 있으며, 또한 보다 낮은 밀도를 갖는다.
발포제는 발포된 복합 재료를 달성하는데 있어서 유용한 물질이다. 적합한 화학 발포제는 압출 온도에서 안정하지만, 보다 높은 온도에서는 분해되어 기체, 예를 들면 질소 또는 이산화탄소를 발생시킨다. 따라서 기체는 매트릭스 재료를 발포시킨다. 마이크로파 투과성 중합체로서 저 밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 사용할 때 바람직한 화학 발포제는 p,p'-옥시비스(벤젠술포닐 히드라지드)[미국 컨넥티컷주 미들배리 소재의 유니로얄 케미칼 캄파니(Uniroyal Chemical Co.)로부터 셀로겐(Celogen)(등록상표) OT로 입수할 수 있음]이다.
보다 낮은 부피 담지량의 미소구를 갖는 발포된 또는 재료부족된 계를 사용하여 대략 1.2의 유전 상수를 달성한다. 충전제 형태의 높은 종횡비의 섬유 또는 플레이크로의 변화 및 충전제 담지량의 증가를 사용하여 50 내지 100의 보다 높은 복합 재료 유전 상수를 달성한다.
렌즈는 굴절을 통해 복사선을 굴곡시키거나 또는 집중시키도록 성형된 제품이다. 굴절 지수는 가시광선에 투명한 재료에 대한 렌즈 디자인을 좌우한다. 유사하게, 유전 상수는 다른 재료에 대한 렌즈 디자인을 좌우한다(낮은 마이크로파 손실 재료의 경우 굴절 지수는 유전 상수의 제곱근에 의해 어림될 수 있다). 평면, 볼록, 오목, 반구형, 또는 구형 형태를 갖는 렌즈 구조가 상기한 복합 재료를 사용하여 성형될 수 있다[예를 들면, 이(J.J.Lee), "Numerical Methods Make Lens Antennas Practical",Microwaves, 81-84 페이지(1982년 9월) 참조]. 이들 재료는 각 층이 다른 층과 동일하거나 또는 상이한 유전 상수를 가질 수 있는 다수개의 층들을 갖는 렌즈를 구성하는데 있어서 특히 유용할 수 있다. 본 발명의 복합 재료가 유용한 렌즈의 한 예가 당 업계에 루네버그(Luneberg) 렌즈로 공지되어 있으며, 이것은 상이한 유전 상수를 갖는 많은 수의 유전체들을 사용한다. 이러한 용도에 관한 보다 상세한 설명을 당 업계에서 찾아볼 수 있다[예를 들면, 인거슨(P.G. Ingerson), "Luneberg Lens Performance Limitations Due to Fabrication Process", IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 862-865 페이지(1997) 참조]. 이러한 복합 재료의 적층된 구조의 사용은 관심을 갖는특정 주파수 범위 및 띠폭에 대한 집중을 가능하게 한다. 이러한 구조는 또한 렌즈가 복사선원을 향하게 만들 필요가 없어서, 고정된 렌즈 위치를 가능하게 한다. 그러므로 렌즈는 상호 마이크로파 주파수 통신(예를 들면 지상국과 위성 사이)에 적합하다. 본 발명의 복합 재료는 또한 렌즈용 지지체를 구성하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 복합 재료는 또한 유전 안테나에도 유용하다. 예를 들면, 이들 복합 재료로 제조된 안테나 기재는 특정 유전 상수 및 마이크로파 주파수 범위내에서 낮은 손실을 가질 수 있다. 추가의 안테나 용도는 미국 특허 제5,844,523호에 기재되어 있다.
본 발명의 충전제 및 복합 재료는 상기한 바와 같이, 보다 높은 부피％의 바람직한 충전제를 본 발명의 복합 재료 내에 첨가하는 것을 통해 유전 상수가 증가될 때 밀도가 더 낮게 될 수 있다. 이들 복합 재료의 저 밀도 특징은 이들이 많은 부피를 차지할 수 있도록 하고, 건축물, 자동차, 항공기 상에, 궤도운행 위성에, 또는 보다 낮은 중량이 바람직한 속성인 임의의 곳에 설치될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 재료는 마이크로파 통신의 높은 주파수 범위에서 낮은 손실을 제공하고, 이들은 종래의 열가소성 가공처리 기술과 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 목적 및 이점들이 하기하는 실시에에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 인용된 이들의 구체적인 재료 및 양, 뿐만 아니라 다른 조건 및 세부사항들이 본 발명을 부당하게 한정시키는 것으로 생각되어져서는 안된다.
시험 방법
전도성 코팅 두께
미소구의 표면적을 BET 표면적 방법을 사용하여 측정하였다. 미소구 상의 금속의 중량％는 적절할 경우 질산, 염산 또는 황산과 함께 묽은 불화수소산 중에 코팅된 입자들 일부분을 용해시킴으로써 측정하였다. 생성된 용액을 유도 커플링된 아르곤 플라즈마 원자 방출 분광학(Inductively Coupled Argon Plasma Atomic Emission Spectroscopy)으로 분석하여 입자 상의 금속 중량％를 얻었다. 입자 상의 전도성 코팅의 두께를 하기 관계식을 사용하여 산정하였다:
CT = (1,000 x (WT)/(100-WT))/(SA x CD)
상기 식 중, CT = 코팅 두께 (㎚), WT = 입자의 총 중량에 기준한 금속 중량％; SA = 비 표면적(m2/g); CD = 코팅 밀도(g/cc)
코팅된 충전제 밀도
모델 930 베크만(Beckman) 공기 비교 비중병(Air Comparison Pycnometer)을 사용하여 코팅된 충전제 샘플의 부피(V)를 측정하였다. 저울을 사용하여 동일한 샘플에 대하여 질량(M)을 측정하였다. 하기 관계식으로부터 코팅된 충전제 밀도(D)를 계산하였다:
D = M/V
복합체 밀도
이들 샘플의 밀도를 메틀러(Mettler) 고 정밀 저울 상에서 작은 샘플을 칭량하여 측정하였다. 이어서 샘플을 물 아래에 두었다. 대체된 물의 질량을 사용하여 샘플의 부피를 실온에서의 물의 밀도 1 g/cc를 사용하여 측정하였다. 샘플의 밀도를 계산하기 위하여, 측정된 질량을 측정된 부피로 나누었다.
유전성 측정
905 MHz에서 필름의 유전 특성을 실온(23 ℃)에서 RF 임피이던스/재료 분석기[미국 캘리포니아주 팔로 알토 소재 휴렛 팩커드(Hewlett Packard)로부터의 모델 HP 4291A]를 사용하여 측정하였다. 시험은 고 주파수에 대하여 변형된 전기용량 측정을 사용하였다. HP 16453A 유전성 시험 고정구(휴렛 팩커드로부터 입수가능)도 또한 사용되었다.
6.0 및 10.0 GHz에서 필름의 유전 특성을 실온에서 측정하였다. 6.0 GHz 측정치는 유전 스플릿 후 공명기(Dielectric Split Post Resonator) 시험 방법으로 얻었다. 10.0 GHz 측정치는 TE01n 모드 원통형 중공 도파관 공명기로 얻었고, 배제(swept), 산란 파라미터 스펙트럼(Scattering Parameter spectrum) S21(f), 즉 주파수의 함수로서의 입력 시그널에 대한 투과된 시그널의 비를 HP8510c 벡터 망상조직 분석기(Vector Network Analyzer)로 "013" 공명 부근에서 측정하였다. 복잡한 전기 유전율 측정치는 6.0 및 10.0 GHz 측정치 모두의 경우에 실제 부분에 대해서는 ±0.1％ 및 손실 정접에 대해서는 ±0.0001의 오차를 가졌다. 매우 높은(30,000 초과) Q 인자(즉, 공명의 품질 인자) 및 수반되는 좁은 띠폭을 얻었다. 상기 높은 Q 인자는 낮은 손실 재료과 결합되었을 때, 공명이 매우 좁은 주파수 폭에 걸쳐 형성되었음을 의미한다. 캐비티 장을 여기시키고 측정하였다. 캐비티 장은 전기장을 여기시키는 1개의 프로브 및 에너지를 수용하는 제2 프로브를 사용하는 금속 상자 내에서의 전자기장이고, 측정은 샘플이 상자 내로 삽입되기 전 및 후에 일어나는 공명의 쇠퇴를 알아보기 위하여 행해졌다. 완전한 원통형 경계 값 문제 용액을 사용할 때, 유전 상수 및 손실 정접의 정확한 계산을 S21(f) 스펙트럼으로부터 얻은 공명 주파수 및 캐비티 Q's 상에서 행하였다. 캐비티 벽의 유한 전도율의 원인을 밝히기 위하여 보정을 하였다.
사용된 재료
재료 설명
이산화티탄 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 듀퐁(DuPont)으로부터 Ti-Pure R960으로 입수가능
텅스텐 미국 알라바마주 헌츠빌 소재의 텔레다인 어드밴스트 머티어리얼즈 (Teledyne Advanced Materials)로부터 텅스텐 기계가공된 편평한 스톡(stock), 99.95 중량％ 순도로 입수가능
304 스텐레스 강 미국 뉴저지주 페어필드 소재의 스페셜티 스틸 앤드 포지(Specialty Steel and Forge)로부터 304 스텐레스 강판으로 입수가능
알루미늄 미국 일리노이주 시카고 소재의 센트럴 스틸 앤드 와이어(Central Steel and Wire)로부터 1100F 알루미늄판으로 입수가능
티탄 미국 오하이오주 우스터 소재의 아스트로 메탈러직, 인크.(Astro Metallurgic, Inc.)로부터 티타늄판으로 입수가능
중합체 A 실온 경화, 고 강도, 투명한 액체 실리콘 고무, 미국 뉴욕주 워터포드 소재의 제너럴 일렉트릭 캄파니(General Electric Co.), 실리콘 제품부로부터의 제품 번호 RTV 615
중합체 B 3.5의 용융유량 지수를 갖는 저 밀도 폴리에틸렌, 미국 테네시주 킹스포트 소재의 이스트맨 케미칼 캄파니(Eastman Chemical Co.)로부터 테나이트(Tenite)(등록상표) 1550F으로 입수가능
중합체 C 에틸렌 프로필렌 고무 및 결정질 폴리프로필렌의 중합체 알로이로서 설명되는 열가소성 폴리올레핀 엘라스토머, UV 안정화됨, 미국 델라웨어주 위링톤 소재의 몬텔 유에스에이(Montell USA)로부터 하이팩스(HiFax)(등록상표) CA10G로 입수가능
중합체 D 미국 텍사스주 휴스톤 소재의 엑슨 케미칼즈(Exxon Chemicals)로부터 이그잭트(Exact)(등록상표) 4023 플라스토머(Plastomer)로 입수가능한 에틸렌 기재 부텐 플라스토머
중합체 E 미국 텍사스주 베이포트 소재의 피나(Fina)로부터 피나 HDPE 1285로 입수가능한 고 밀도 폴리에틸렌
중합체 F 미국 텍사스주 휴스톤 소재의 쉘 케미칼즈(Shell Chemicals)로부터 상품명 SRD-7462로 표시되는 에틸렌 프로필렌 고무/폴리프로필렌
중합체 G 몬텔 유에스에이로부터 하이팩스(등록상표) MXL42D01 TPE로 입수가능한 부분적으로 가교결합된 열가소성 폴리올레핀 엘라스토머
방법 1: 코팅된 충전제의 제조
K37 유리 미소버블을 텅스텐(W)로 스퍼터 코팅시켜 코팅된 충전제 A를 제조하였다. 충전제를 먼저 325 메쉬(45 ㎛) 체에 이어 400 메쉬(38 ㎛) 체(단지 코팅된 충전제 A에만 사용됨)를 통해 스크리닝시켜 최소 입자들을 제거하였다. 체를 통과하지 않은 충전제 입자들을 이어서 메탄올 중에 부유시키고 부유되지 않은 것을 버려서 최고 밀도 입자들을 제거하였다. 부유되지 않은 입자들을 공기 중에서 건조시켰다. 체질되고, 부유되고, 건조된 입자들을 약 1.3 x 10-5토르(1.73 x 10-3Pa)의 압력으로 배기되고 약 3 밀리토르(0.4 Pa) 아르곤 스퍼터링 기체로 배면충전된 진공실 중에 두었다. 입자들을 텅스텐 증기로 스퍼터 코팅시키면서 진공실 중에서 서서히 혼란시켰다. 음극은 5 인치 x 8 인치(127 ㎜ x 203 ㎜) 크기의 직접 수냉된 텅스텐판이었다. 스퍼터링 장치를 표 1에 나타낸 바와 같이 인가된 전력에서 직류 평면 마그네트론 모드로 작동시켰다. 이어서 금속 코팅된 충전제를, 산소가 3.5 표준 입방 센티미터/분(sccm)의 속도로 입자 부근에서 챔버 내로 들어오도록 하면서 1.00 킬로와트(kW)에서 2.00 시간 동안 알루미늄 표적으로 유사한 방식으로 스퍼터 코팅시켰다. 이것은 전도성 층 위에 약 2 ㎚ 두께의 비화학량론적 산화알루미늄의 절연층을 생성시켰다.
S60 미소버블을 크기에 의한 선별 없이 사용하고, 스퍼터 표적이 304 스텐레스 강(SS)인 것을 제외하고는 코팅된 충전제 A와 같이 코팅된 충전제 B 내지 G를 제조하였다. 작업 조건은 표 1에 나타나 있다. 비화학량론적 산화알루미늄 증착조건은 20.0 sccm 산소 흐름에서 4.00 kW에서 3.00 시간이었다.
스퍼터 표적이 알루미늄(Al)이고, 사용된 K37 버블이 325 메쉬 스크린 상에 보유된 것(이어서 메탄올 중에서 부유되지는 않음)인 것을 제외하고는 코팅된 충전제 A와 같이 코팅된 충전제 H 내지 K를 제조하였다. 작업 조건은 표 1에 나타나 있다. 비화학량론적 산화알루미늄 증착 조건은 4.0 sccm 산소 흐름에서 0.80 kW에서 2.00 시간이었다.
스퍼터 표적이 티타늄(Ti)이고, 사용된 K37 버블이 325 메쉬 스크린 상에 보유된 것(이어서 메탄올 중에서 부유되지는 않음)인 것을 제외하고는 코팅된 충전제 A와 같이 코팅된 충전제 L 내지 O를 제조하였다. 작업 조건은 표 1에 나타나 있다. 비화학량론적 산화알루미늄 증착 조건은 4.0 sccm 산소 흐름에서 0.80 kW에서 2.00 시간이었다.
사용된 K37 버블이 325 메쉬 스크린 상에 보유된 것(이어서 메탄올 중에서 부유되지는 않음)인 것을 제외하고는 코팅된 충전제 A와 같이 코팅된 충전제 P 내지 V를 제조하였다. 작업 조건은 표 1에 나타나 있다. 비화학량론적 산화알루미늄 증착 조건은 4.0 sccm 산소 흐름에서 0.80 kW에서 2.00 시간이었다.
밀드 유리 섬유(GF)를 스텐레스 강으로 스퍼터 코팅시켜 코팅된 충전제 W를 제조하였다. 비화학량론적 산화알루미늄 증착 조건은 35.0 sccm 산소 흐름에서 8.00 kW에서 4.50 시간이었다.
전도성 코팅 위에 산화알루미늄 절연 코팅을 인가하지 않는 것을 제외하고는 코팅된 충전제 B와 같이 코팅된 충전제 X를 제조하였다. 작업 조건은 표 1에 나타나 있으며, 여기에 코팅 두께(CT)도 또한 기록되어 있다.
충전제 샘플 금속 입자 타입 입자 분립(㎛) 입자 베드 중량(g) 코팅 전력(kW) 코팅 시간(hr) 전체 전력(kWh) CT(㎚)
A W K37 45/38 30 1.00 4 4.0 12.1
B SS S60 분립안함 700 0.55 5 2.75 1.4
C SS S60 분립안함 700 0.80 5 4.0 1.8
D SS S60 분립안함 700 2.00 5 10.0 4.3
E SS S60 분립안함 700 3.50 5 17.5 7.4
F SS S60 분립안함 700 8.00 10 80 28.5
G SS S60 분립안함 700 8.00 20 160 53.9
H Al K37 45 36 2.40 4 9.6 10.3
I Al K37 45 36 0.60 4 2.4 14.2
J Al K37 45 36 1.20 4 4.8 31.1
K Al K37 45 36 2.40 4 9.6 47.5
L Ti K37 45 36 1.00 4 4.0 8.3
M Ti K37 45 36 2.00 4 8.0 14.7
N Ti K37 45 36 4.00 4 16.0 31.5
O Ti K37 45 36 6.00 4 24.0 42.1
P W K37 45 36 0.30 4 1.2 2.5
Q W K37 45 36 0.60 4 2.4 5.0
R W K37 45 36 0.80 4 3.2 6.7
S W K37 45 36 1.00 4 4.0 8.4
T W K37 45 36 1.20 4 4.8 11.2
U W K37 45 36 1.80 4 7.2 16.2
V W K37 45 36 2.40 4 9.6 19.8
W SS GF 분립안함 1570 8.00 20 160 51.1
X SS S60 분립안함 700 8.00 5 40 15.0
방법 2: 코팅된 미소버블을 함유하는 복합체의 블렌딩
코팅된 입자들을 125 ℃의 온도로 유지된 브라벤더(Brabender) 배치 혼합기[Model PL 2100, 미국 뉴저지주 사우스 하켄색 소재의 브라벤더 인스트루먼츠(Brabender Instruments)로부터 입수가능] 중에서 중합체 용융물에 첨가하였다. 2개의 재료들을 함께 70 rpm의 회전 블레이드로 일정한 토르크 측정치가 달성될 때까지 대략 10-15분 동안 블렌딩시켜 실질적으로 균일한 용융 복합체를 형성함으로써 복합체를 제조하였다. 용융 복합체를 먼저 2 조각의 폴리에스테르 라이너 사이에 넣어 3층 샌드위치를 형성시켜 복합체의 납작한 필름을 형성시켰다. 샌드위치를 이어서 2개의 알루미늄판 사이에 두어 샌드위치된 조립체를 형성시켰다. 조립체를 가열된 카버(Carver) 실험실 프레스[모델 2518, 미국 인디애나주 와바쉬 소재의 프레드 에스. 카버 캄파니(Fred S. Carver Co.)로부터 입수가능]에 삽입시키고, 약 6.9 MPa(1000 psi)의 압력 및 107 ℃(225 ℉)의 온도에서 납작한 필름으로 성형시켰다. 각 샘플의 두께를 조절하기 위하여 알루미늄 판들 사이에 간격조정판을 삽입시켰다. 각 복합체 필름은 약 18 cm(7 인치)의 직경을 가졌고, 약 0.10-0.15 cm(40-60 밀)의 두께를 가졌다.
방법 3: 코팅된 미소버블을 함유하는 포옴 복합체의 블렌딩
코팅된 입자들을 125 ℃의 온도로 유지된 브라벤더 배치 혼합기 중에서 중합체 용융물에 첨가하였다. 화학 발포제[미국 컨넥티컷주 미들배리 소재의 유니로얄 케미칼 캄파니(Uniroyal Chemical Co.)로부터 셀로겐(Celogen)(등록상표) OT로 입수가능한 p,p'-옥시비스(벤젠 술포닐 히드라지드)]를 중합체 100 중량부에 대하여발포제 10 중량부의 농도로 용융 중합체에 첨가하였다. 온도는 화학 발포제의 분해 온도 이하이었다. 3개의 재료들을 함께 70 rpm의 회전 블레이드로 일정한 토르크 측정치가 달성될 때까지 대략 10-15분 동안 블렌딩시켜 실질적으로 균일한 용융 복합체를 형성함으로써 복합체를 제조하였다. 용융 복합체를 먼저 2 조각의 폴리에스테르 라이너 사이에 넣어 3층 샌드위치를 형성시켜 복합체의 편평한 필름을 형성시켰다. 샌드위치를 이어서 2개의 알루미늄판 사이에 두어 샌드위치된 조립체를 형성시켰다. 조립체를 가열된 카버 프레스에 삽입시키고, 약 6.9 MPa(1000 psi)의 압력 및 107 ℃(225 ℉)의 온도에서 납작한 필름으로 성형시켰다. 각 샘플의 두께를 조절하기 위하여 직사각형 알루미늄 판들 사이에 간격조정판을 삽입시켰다. 각 복합체 필름은 약 18 cm(7 인치)의 직경을 가졌고, 약 0.10-0.15 cm(40-60 밀)의 두께를 가졌다. 알루미늄 금형을 사용하여 발포된 복합체 재료를 성형하였다. 금형은 2개의 서로 짝을 이루는 부품을 갖고, 각각의 부품은 대략 3.125 x 4.0 x 0.5 인치(7.9 x 10.0 x 1.3 cm)로 각 금형 부품에서 중심에 함몰부를 갖는다. 각 부품 중의 함몰부는 대략 2.125 x 3.0 인치(5.4 x 7.6 cm)이고 깊이는 0.025 인치(0.0635 cm)이었다. 2.125 x 3.0 인치(5.4 x 7.6 cm)의 치수를 갖는 복합 재료의 직사각형 샘플을 절단하여 금형의 오목부내에 넣었다. 이어서 2개의 금형 부품을 각 금형 부품의 오목부가 정렬되어 복합 재료를 함유하는 깊이 0.05 인치(0.13 cm)의 캐비티를 제공하도록 함께 고정시켰다. 이어서 금형을 250 ℃의 온도로 유지된 오븐 중에 약 2분 동안 두어 재료를 발포시켰다. 이어서 오븐으로부터 금형을 꺼내어 조립체(내부에 발포된 복합 재료를 갖는 금형)를 얼음물 중에서 급냉시켰다. 이어서 발포된 복합체 샘플을 금형으로부터 꺼냈다.
실시예 1 및 비교예 1
샘플은 본 발명의 충전제 및 시판되는 충전제에 대하여 복합체 밀도에 미치는 충전제 부피 담지량의 효과를 예시한다.
실시예 1의 복합체 샘플 1-A 내지 1-D를 코팅된 충전제 A, 텅스텐 코팅된 비소버블(W/MB), 및 충전제의 부피 담지량을 변화시킨 중합체 B 매트릭스를 사용하여 방법 2에 기재된 바와 같이 제조하였다. 대조물 B는 충전제 없이 제조하였다. 비교예 1의 복합체 샘플 CE1-A 내지 CE1-C를 이산화티탄 충전제 및 충전제의 부피 담지량을 변화시킨 중합체 B 매트릭스를 사용하여 제조하였다.
각 복합체 샘플을 유전 상수(K) 및 복합체 밀도에 대하여 시험하였다. 충전제 담지량 및 시험 결과를 표 2에 기록하고, 도 1 및 2에 나타낸다.
복합체 샘플 충전제 충전제 부피％ 밀도 g/cc K
1-A W/MB 10 0.87 2.73
1-B W/MB 30 0.74 6.03
1-C W/MB 40 0.68 9.34
1-D W/MB 50 0.65 15.7
대조물 B 없음 없음 0.89 2.23
CE1-A TiO2 5 1.05 2.76
CE1-B TiO2 10 1.21 3.36
CE1-C TiO2 20 1.54 4.40
상기 표 및 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 복합 재료 실시태양의 밀도는 코팅된 충전제의 부피 담지량이 증가할 때 감소되었다. 대조적으로, 시판되는 마이크로파 투과성 충전제로 제조된 복합체의 밀도는 충전제의 부피 담지량이 증가함에 따라 직선상으로 증가하였다.
표 2 및 도 2는 충전제 부피 담지량이 증가할 때 본 발명의 실시태양들의 유전 상수가 증가됨을 보여준다. 또한, 도 1 및 2 모두를 살펴보면, 본 발명의 경우에 유사한 크기의 제품의 총 중량을 증가시키지 않고서 기준 재료에 비하여 비교적 높은 유전 상수가 가능하였다. 사실상, 본 발명의 실시태양을 사용하는 것은 상기한 제품의 중량을 감소시키게 된다.
실시예 2
샘플은 복합체 손실 정접에 미치는 충전제 상의 전도성 코팅의 두께의 효과를 예시한다.
실시예 2의 복합체 샘플 2-A 내지 2-F를 방법 2를 따라 제조하였다. 충전제는 복합체 재료의 20 부피％로 사용된, 변화되는 금속 코팅 두께를 갖는 스텐레스 강(SS) 코팅된 미소버블인 코팅된 충전제 B 내지 G이었다. 중합체 매트릭스는 중합체 C이었다. 스텐레스 강의 벌크 전도율은 미국 플로리다주 보카 레이톤 소재의 시알시 프레스 인크(CRC Press Inc.)의 핸드북 오브 케미스트리 앤드 피직스(the Handbook of Chemistry and Physics), 제66판에 보고되어 있는 바와 같이 1.39 x 104(ohm-cm)-1이었다.
각 복합체 샘플을 6 GHz에서 손실 정접에 대하여 시험하여, 밀리유닛(mu) 단위로 기록하였다. 평균 전도성 코팅 두께 및 시험 결과를 표 4에 기록한다.
복합체 샘플 CT(㎚) 손실(mu)
2-A 1.4 78.90
2-B 1.8 58.6
2-C 4.3 11.8
2-D 7.4 14.7
2-E 28.5 33.1
2-F 53.9 51.1
표 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 6 GHz에서의 손실 정접은 약 4.3 ㎚의 스텐레스 강 코팅 두께에서 최소치를 가졌다.
실시예 3
샘플은 상이한 전도성 코팅을 갖는 충전제의 복합체 특성에 미치는 효과를 예시한다.
실시예 3의 복합체 샘플들을 상이한 벌크 전도율을 갖는 전도성 코팅을 20 부피％로 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 같이 제조하였다. 샘플 3-A 내지 3-D를 3.78 x 105(ohm-cm)-1의 핸드북 전도율을 갖는 상이한 양의 알루미늄(Al)으로 코팅된 미소버블인 코팅된 충전제 H 내지 K를 사용하여 제조하였다. 샘플 3-E 내지 3-H는 2.38 x 104(ohm-cm)-1의 핸드북 전도율을 갖는 상이한 양의 티타늄(Ti)으로 코팅된 미소버블인 코팅된 충전제 L 내지 O를 사용하여 제조하였다. 샘플 3-I 내지 3-P는 1.77 x 105(ohm-cm)-1의 핸드북 전도율을 갖는 상이한 양의 텅스텐(W)으로 코팅된 미소버블인 코팅된 충전제 P 내지 V를 사용하여 제조하였다. 모든 복합체 샘플을 중합체 B 매트릭스로 제조하였다.
각 복합체 샘플을 10 GHz에서 손실 정접에 대하여 시험하였다. 평균 전도성코팅 두께 및 시험 결과를 표 4에 기록하고, 도 3에 나타낸다.
복합체 샘플 전도성 코팅 손실
타입 CT(㎚) mu
3-A Al 10.3 12.8
3-B Al 14.2 5.23
3-C Al 31.1 7.38
3-D Al 47.5 12.91
3-E Ti 8.3 17.7
3-F Ti 14.7 7.83
3-G Ti 31.5 4.79
3-H Ti 42.1 4.69
3-I W 2.5 고 손실
3-J W 5.0 5.33
3-K W 6.7 4.23
3-L W 8.4 4.19
3-M W 11.2 4.51
3-N W 16.2 6.18
3-O W 19.8 12.21
표 4 및 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 10 GHz에서의 손실 정접은 약 15 ㎚의 알루미늄 코팅 두께에서 최소치, 약 8 ㎚의 텅스텐 코팅 두께에서 최소치 및 40 ㎚ 이상의 티타늄 코팅 두께에서 최소치를 가졌다. 이 실시예는 각 금속에 대하여 손실 정접의 최소치가 있으며, 이것은 각각에 대하여 상이하다는 것을 보여주었다. 매우 얇은 필름의 전도율은 얇은 필름을 제조하는 재료의 벌크 전도율로부터 실질적으로 벗어날 수 있기 때문에 문헌에서의 벌크 전도율와의 상관관계는 기대할 수 없었다.
실시예 4
샘플은 높은 종횡비의 충전제 입자를 갖는 복합 재료의 유전 상수에 미치는 배향 효과를 예시한다.
유리 섬유 복합체 실시예 4-A 내지 4-C를 중합체 A의 매트릭스 중의 스텐레스 강 코팅된 유리 섬유 10 부피％로 제조하였다. 실시예 4-A에서는, 샘플을 샘플의 평면에 배향된(xy-평면) 직류 솔레노이드 코일로 인가된 50 에르스텟(Oe)(3.98 kA/m) 자기장 존재하에 경화시켰다. 실시예 4-B에서는, 복합체를 추가의 처리 없이 경화시켰다. 실시예 4-C에서는, 샘플을 편평한 샘플의 주 축에 법선인 z축으로 배향된 것을 제외하고는 실시예 4-A에서와 동일한 자기장 존재하에 경화시켰다. 대조물 C를 충전제가 없는 것을 제외하고는 실시예 4에서와 같이 제조하였다.
각 샘플의 유전 상수를 측정하였다. 각 복합체 샘플을 32X 광학 현미경 하에서 배향 균일성에 대하여 관찰하였다. 이러한 관찰은 실시예 4-A에서 코팅된 섬유 배향이 샘플의 주 평면 내에 있음을 보여주었다. 실시예 4-B에서는, 코팅된 섬유가 무작위로 정렬되었다. 실시예 4-C에서는, 코팅된 섬유가 편평한 샘플의 주 평면에 수직으로 매우 잘 정렬되었다.
각 샘플의 유전 상수를 평행 판 축전기의 판들 사이에 삽입시켜 측정하였다. 전기용량을 z축을 따라 배향된 전기장으로 RCL 미터를 사용하여 측정하였다. 유전 상수를 하기 방정식을 사용하여 계산하였다:
K = Cd / ε0A
상기 식 중, C는 전기용량이고, d는 샘플 두께이고, ε0은 자유 공간의 유전율이고, A는 샘플의 면적이다. 0.3 GHz에서 행해진 유전성 측정치는 이 데이타와 일치하였다. 섬유 배향 및 계산된 유전 상수를 표 5에 기록한다.
조성물 샘플 배향 Z-축 배향％ K
4-A xy-평면 0 4.6
4-B 무작위 33 5.6
4-C z-축 100 11.9
대조물 C N/A N/A 3.0
표 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 복합체의 유전 상수는 또한 코팅된 충전제가 비대칭적으로 성형될 때 코팅된 충전제의 z-축 배향량을 조절함으로써 변화될 수 있다.
실시예 5
샘플은 복합체 특성에 미치는 상이한 중합체 매트릭스의 효과를 예시한다.
20 부피％ 담지량의 산화알루미늄 및 스텐레스 강으로 코팅된 미소버블인 코팅된 충전제 X, 및 각각 중합체 D, 중합체 E 및 중합체 F의 매트릭스 중합체를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2에서와 같이 실시예 복합체 샘플 5-A, 5-B 및 5-C를 제조하였다.
각 복합체 샘플을 905 MHz에서 손실 정접에 대하여 시험하였다. 시험 결과를 표 6에 보고한다.
복합체 샘플 매트릭스 중합체 K 손실(mu)
5-A 중합체 D 4.29 3.2
5-B 중합체 E 4.78 3.6
5-C 중합체 F 4.05 3.2
표 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 손실 정접은 매트릭스 중합체의 선택에 의해 영향을 받을 수 있다.
실시예 6
샘플은 복합체 특성에 미치는 상이한 중합체 매트릭스의 효과를 예시한다.
코팅된 미소버블을 함유하는 포옴 복합체 중의 30 부피％(발포 전)의 코팅된 충전제 E로 방법 3을 사용하여 실시예 6을 제조하였다.
실시예를 10 GHz에서의 유전 상수(K) 및 복합체 밀도(g/cc)에 대하여 시험하였다. 시험 결과를 표 7에 보고한다.
복합체 샘플 매트릭스 중합체 K 밀도
6 중합체 B 3.44 0.47
대조물 D 중합체 B 1.53 0.45
표 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 복합체는 충전제가 없는 포옴의 밀도와 유사한 밀도를 여전히 가지면서 대표적인 포옴의 유전 상수보다 훨씬 더 높은 유전 상수를 가질 수 있다.
실시예 7
샘플은 복합체 손실 정접에 미치는 주파수의 효과를 예시한다.
중합체 B 매트릭스 중에 텅스텐으로 코팅된 체질된 미소버블인 코팅된 충전제 A의 다양한 부피％를 사용하여 방법 2에 설명된 바와 같이 실시예 7 복합체 샘플 7-A 내지 7-E를 제조하였다. 대조물 E 샘플은 코팅된 미소버블 없이 중합체 B로 제조되었다.
각 복합체 샘플을 2개의 주파수에서 손실 정접 및 유전 상수(K)에 대하여 시험하였다. 시험 결과를 표 8에 보고한다.
샘플 충전제 0.9 GHz 10 GHz
부피％ K 손실(mu) K 손실(mu)
7-A 10 2.73 0.83 3.16 2.81
7-B 20 N/A N/A 4.85 5.32
7-C 30 6.03 1.50 7.07 12.54
7-D 40 9.34 8.62 10.08 22.1
7-E 50 15.7 2.93 15.35 22.6
대조물 E 0 --- --- 2.24 0.24
표 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 마이크로파 투과성 복합체는 보다 높은 주파수에서 보다 높은 손실 정접을 갖지만, 유전 상수가 증가하는 동안에 낮은 손실을 유지한다.
실시예 8
샘플은 복합체 특성에 미치는 절연 코팅 없는 충전제 입자의 효과를 예시한다.
중합체 D 매트릭스 및 20 부피％ 담지량으로 분산된 코팅된 충전제 X를 사용하여 방법 2에 설명된 바와 같이 복합체를 제조하였다. 생성된 복합체는 0.9 GHz에서 5 mu의 손실 정접 및 4.8의 유전 상수를 가졌다.
0.9 GHz에서의 손실은 허용가능하게 낮은 것으로, 이것은 낮은 단지량의 경우에 충전제 입자 상의 절연층 없이 낮은 손실이 얻어질 수 있음을 증명한다.

Claims (15)

  1. 마이크로파 투과성 중합체를 포함하는 매트릭스 재료; 및
    매트릭스 중에 분산된 입상 충전제 약 1 내지 65 부피％
    를 포함하고, 이 입상 충전제가
    충전제 입자 상의 전기 전도성 코팅,
    100 ㎛ 이하의 소 치수를 갖는 약 2 대 1보다 큰 종횡비를 갖는 입자 및 약 0.5 ㎜ 이하의 대 치수를 갖는 회전타원체 및 타원체로부터 선택된 입자, 및
    약 1.2 내지 100의 복합 재료 유전 상수 및 1 GHz에서 약 0.10 이하의 복합 재료 마이크로파 손실 정접을 겸비할 수 있도록 하기에 충분한 입자 크기 및 코팅 두께의 조합을 특징으로 하는 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입상 충전제가 약 3.5 g/cc 이하의 밀도를 갖는 복합 재료.
  3. 제1 또는 2항에 있어서, 상기 복합 재료가 복합 재료의 유전 상수의 약 5％ 이내의 유전 상수를 제공하도록 입상 충전제를 충분량의 입상 티탄산바륨으로 대체시킨 것을 제외하고는 복합 재료와 동일한 기준 복합 재료의 밀도의 약 95％ 미만의 밀도를 갖는 복합 재료.
  4. 제1, 2 또는 3항에 있어서, 입상 충전제의 전기 전도성 코팅 상에 실질적으로 전기 절연성 코팅을 추가로 포함하는 복합 재료.
  5. 마이크로파 투과성 중합체를 포함하는 매트릭스 재료; 및
    매트릭스 중에 분산된 미소구를 포함하는 충전제 약 1 내지 65 부피％
    를 포함하고, 이 충전제 미소구가
    알루미늄, 스텐레스 강, 티타늄 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 코팅,
    10 내지 350 ㎛ 범위의 평균 입자 크기,
    약 3.5 g/cc 이하의 밀도, 및
    약 1.2 내지 100의 복합 재료 유전 상수 및 1 GHz에서 약 0.10 이하의 복합 재료 마이크로파 손실 정접을 겸비할 수 있도록 하기에 충분한 입자 크기 및 코팅 두께의 조합을 특징으로 하는 복합 재료.
  6. 제1 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체가 셀룰로스 아세테이트, 천연 고무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 플루오로중합체, 합성 고무 및 실리콘으로부터 선택된 복합 재료.
  7. 제1 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제가 미소구가 상당히 파괴되지 않으면서 약 6.9 MPa 이상의 정수압을 견딜 수 있고 약 0.29 g/cc 이상의 밀도를 갖는 중공 미소구를 포함하는 복합 재료.
  8. 제7항에 있어서, 상기 충전제 미소구가 약 10 내지 60 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는 복합 재료.
  9. 제7 또는 8항에 있어서, 상기 충전제 미소구 상의 전기 전도성 코팅의 두께가 약 5 내지 500 ㎚ 범위인 복합 재료.
  10. 제9항에 있어서, 입상 충전제 상의 전기 전도성 코팅 상에 실질적으로 전기 절연성 코팅을 추가로 포함하는 복합 재료.
  11. 제1 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서, 매트릭스를 구성하는 중합체보다 낮은 유전 상수를 갖는 다른 성분을 추가로 포함하는 복합 재료.
  12. 제1 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 화학 발포제를 추가로 포함하는 복합 재료.
  13. 제1 내지 12항 중 어느 한 항 기재의 복합 재료를 포함하는, 평면, 볼록, 오목, 반구형 또는 구형 형태를 갖는 렌즈.
  14. 제13항에 있어서, 각각 복합 재료를 포함하는 2개 이상의 층으로 이루어진 렌즈.
  15. 제1 내지 12항 중 어느 한 항 기재의 복합 재료를 포함하는 안테나.
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