KR20100099061A - 열 반응성 복합체 부재, 관련 장치 및 구조 애플리케이션을 포함하는 애플리케이션 - Google Patents

열 반응성 복합체 부재, 관련 장치 및 구조 애플리케이션을 포함하는 애플리케이션 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 온도 감지 및 온도 조절 장치 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 온도 감지 및 조절 장치는 복합체 부재를 포함할 수 있으며, 상기 복합체 부재는 비금속성 결합제 물질 및 상기 비금속성 결합제 물질 내에 배치된 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유를 포함한다. 상기 온도 감지 및 조절 장치는 또한 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 위에 배치된 복수의 콘택을 포함할 수 있으며, 상기 복합체 부재는 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소한다.

Description

열 반응성 복합체 부재, 관련 장치 및 구조 애플리케이션을 포함하는 애플리케이션{THERMALLY RESPONSIVE COMPOSITE MEMBER, RELATED DEVICES, AND APPLICATIONS INCLUDING STRUCTURAL APPLICATIONS}
본 발명의 목적 대상은 열 반응성 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적 대상은 온도 감지 및 온도 조절 장치 및 열 감지기 및 열 조절기의 제조 방법에 관한 것이다.
열 반응성 부재는 서미서터(thermistor), 열전대(thermocouple), 열 감지기, 및 온도를 감지, 모니터링, 조절 및 표시하기 위한 검출기와 같은 현존하는 다양한 장치에서 사용된다. 현존하는 거의 모든 열 반응성 부재는 주로 금속, 바이메탈, 금속 합금, 금속 옥사이드 세라믹 및 금속 복합체를 포함하는 금속성이었고, 계속 그러할 것이다. 그러나, 예를 들면 밀도(또는 비중), 열 전도도(conductivity), 열 용량, 자성 및 부식 민감성과 같은 금속 및 금속성-거동(behavior)을 뒷받침하는 많은 기본적인 특성들은 열 민감성, 반응 속도 및 열 연신(heat draw)과 같은 성능 파라미터에 심각한 제한을 야기시킬 수 있다. 아울러, 금속은 전형적으로 양의 열 저항 계수(PTC 물질은 온도에 따라 전기 저항이 증가하는 것으로 나타남)를 나타내기 때문에, 연관된 장치 및 관련 전자 장치, 전자공학 및 기기의 디자인에 적용하는데 추가적인 심각한 제한이 있다. 음의 열 계수(NTC)(NTC 물질은 온도에 따라 열 전도도가 증가하는 것으로 나타남)를 갖는 서미스터가 있지만, 이들 역시 민감성, 반응 속도 및 열 연신에 제한이 있다.
따라서, 상이한 특성을 갖는 새로운 열 반응성 부재를 생성하여, 새로운 장치, 디자인 및 애플리케이션 옵션을 갖도록 할 필요가 있다.
본 발명은 복합체 부재를 포함하는 장치에 관한 것으로서, 상기 복합체 부재는 비금속성 결합제 물질 및 상기 비금속성 결합제 물질 내에 배치된 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유; 및 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 위에 배치된 복수의 콘택(contact)을 포함하며, 상기 복합체 부재는 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소한다.
상기 복합체 부재는 약 1 mΩ/℃ 내지 약 100 ㏁/℃ 범위의 저항 감소를 나타내며, 바람직하게는 2차원 형태의 물체, 3차원 형태의 물체, 배열(array), 번들, 시트, 실린더, 테이퍼(taper)형 실린더, 중공체, 리본 케이블형 구조 및 공축 케이블형 구조로 구성된 군으로부터 선택되는 구조로 배열된다.
또한, 상기 각각의 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유는 부분적으로 탄소화된 폴리아크릴로니트릴, 완전히 탄소화된 폴리아크릴로니트릴, 탄소화된 피치(pitch), 탄소 나노튜브계 섬유, 붕소 나이트라이드로부터 만들어진 나노튜브 섬유, 실리콘 및 금속 도핑 실리콘으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 비금속성 결합제 물질은 열경화성 폴리머, 열가소성 폴리머, 실리콘, 우레탄, 에폭시, 플루오로폴리머, 엘라스토머, 실리카계 유리, 보로실리케이트 유리, 실리카계 세라믹, 서멧(cermet) 및 시멘트로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
다양한 구현예에 따르면, 복합체 부재를 포함하는 장치가 제공된다. 상기 복합체 부재는 비금속성 결합제 물질 및 상기 비금속성 결합제 물질 내에 배치된 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유를 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 위에 배치된 복수의 콘택을 포함할 수 있으며, 상기 복합체 부재는 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소할 수 있다.
다양한 구현예에 따르면, 장치의 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은 비금속성 결합제 물질을 제공하는 단계, 상기 비금속성 결합제 내에 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유를 배치함으로써 복합체 부재를 형성하는 단계, 및 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 위에 복수의 콘택을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 복합체 부재는 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 구현예에 따른 예시적인 장치의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다양한 구현예에 따른 다른 예시적인 장치의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 다양한 구현예에 따라 도 1 및 도 2에서 보여준 예시적인 장치의 예시적인 복합체 부재의 개략도를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 다양한 구현예에 따라 금속 및 예시적인 복합체 부재의 온도의 함수로서 전도도와 저항을 보여주는 것이다.
도 11은 본 발명의 다양한 구현예에 따라 예시적인 복합체 부재의 온도의 함수로서 저항을 보여주는 것이다.
도 12는 본 발명의 다양한 구현예에 따라 예시적인 복합체 부재의 온도의 함수로서 저항에 대한 열 사이클링의 효과를 보여주는 것이다.
도 13은 본 발명의 다양한 구현예에 따라 예시적인 복합체 부재의 길이의 함수로서 저항을 보여주는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 다양한 구현예에 따른 장치(100)의 개략도를 나타낸 것이다. 상기 장치(100)는 복합체 부재(110)를 포함할 수 있으며, 상기 복합체 부재(110)는 비금속성 결합제 물질(120) 및 상기 비금속성 결합제 물질(120) 내에 배치된 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유(130)를 포함한다. 상기 장치(100)는 또한 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유(130) 위에 배치된 복수의 콘택(140)을 포함할 수 있다. 어떤 구현예에서, 상기 복수의 콘택(140)은 도 1a에 나타낸 바와 같이 한 말단에 배치될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 복수의 콘택(140)은 도 1b에 나타낸 바와 같이 반대편 말단에 배치될 수 있다. 다양한 구현예에서, 상기 복합체 부재(110)는 도 10에 나타낸 바와 같이 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소할 수 있다. 어떤 구현예에서, 상기 장치(100)는 온도 감지에 사용될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 장치(100)는 온도 조절에 사용될 수 있으며, 이는 원하는 온도를 유지하기 위한 가열, 냉각, 또는 가열 및 냉각 모두를 포함할 수 있다. 어떤 다른 구현예에서, 상기 장치(100)는 복수의 복합체 부재(110)를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 복수의 복합체 부재(110) 각각은 온도 감지 또는 온도 조절 중 어느 하나, 또는 온도 감지 및 조절 모두를 위해 사용될 수 있다. 상기 복합체 부재(110)는 어떤 경우에는 약 1초 이하의 시간 규모로, 다른 경우에는 약 100 밀리초 이하의 시간 규모로, 어떤 다른 경우에는 약 50 밀리초 이하의 시간 규모로 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소할 수 있다. 상기 복합체 부재는 어떤 경우에는 약 1013 내지 약 10-5 Ω-㎝ 범위로, 다른 경우에는 약 102 내지 약 10-3 Ω-㎝ 범위로 벌크 저항률(resistivity)을 가질 수 있다.
상기 복합체 부재(110)는 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 각각에 대해 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유(130) 각각에 대한 예시적인 물질로는 부분적으로 탄소화된 폴리아크릴로니트릴, 완전히 탄소화된 폴리아크릴로니트릴, 탄소화된 피치, 탄소 나노튜브계 섬유, 붕소 나이트라이드, 실리콘 및 금속 원자가 도핑된 실리콘으로부터 만들어진 나노튜브 섬유를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 전도성 폴리아크릴로니트릴(PAN) 탄소 섬유는 헥셀사(Hexcel Corp, Magna, Utah)로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 관례적으로 제조되는 저항성 PAN 탄소 섬유는 MTLS사(MTLS Corporation, Alpharetta, GA)로부터 공급될 수 있다. 탄소 나노튜브계 필라멘트 및 관련 실(yarn)은 나노콤 테크놀로지사(Nanocomp Technologies, Inc., Concord, NH)에 의해 생산된다. 다양한 구현예에서, 상기 복합체 부재(110)는 예를 들면 폴리이미드(PI)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 열경화성 폴리머, 실리콘; 폴리우레탄 및 에폭시; 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르에테르 케톤(PEEK)을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 열가소성 폴리머; 플루오로폴리머; Viton®(듀퐁(DuPont, Wilmington, DE)에 의해 생산된 제품)과 같은 플루오로엘라스토머; 및 실리카계 유리; 보로실리케이트 유리; 실리카계 세라믹; 칼슘 설포알루미네이트 시멘트를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 시멘트; 및 서멧과 같이 도 1의 비금속성 호스트 또는 결합제 상(120)으로 작용할 수 있는 다른 물질과 같은 임의의 적합한 비금속성 결합제(120) 물질을 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용된 바와 같이, "서멧"이란 용어는 세라믹(cer)과 금속(met) 물질로 이루어진 복합체 물질을 나타낸다. 서멧은 일반적으로 고온 저항 및 경도와 같은 세라믹의 특성 및 소성 변형될 수 있는 능력과 같은 금속의 특성 모두를 최적으로 갖도록 디자인되며, 결과적으로 가장 적합한 결합제 물질(120)일 수 있다. 서멧은 금속을 그 조성의 일부로 사용하고 있지만, 옥사이드, 보라이드, 카바이드 또는 알루미나와 같은 세라믹용 결합제로 사용될 경우에는 그 복합체의 특성이 종종 금속보다는 세라믹과 더 유사하다. 서멧에서 일반적으로 사용되는 금속은 니켈, 몰리브덴, 티탄 및 코발트를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 물질의 그 물리적인 구조에 따라 서멧은 또한 금속 매트릭스 복합체일 수도 있지만, 서멧은 대개 금속의 20 부피% 이하이다. 칼슘 알루미네이트 시멘트 또한 일반적으로 매우 어려울 수 있는 환경에서 실시간으로 온도 측정 및 조절이 가능한 고온 감지 애플리케이션용으로 선택되는 결합제(120) 물질일 수 있다. 아울러, 복합체 부재(110)의 반응 시간으로 인하여, 상기 칼슘 알루미네이트 시멘트를 결합제(120) 물질로 포함하는 감지기는 고온의 노(furnace)에 심각한 손상을 초래할 수 있는 신속한 온도 증가 또는 감소에 경보를 알림으로써 잠재적으로 심각한 온도 이탈을 더 빨리 진단할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 상기 장치(200)의 다른 예시적인 구현예를 나타낸다. 상기 장치(200)는 비금속성 결합제 물질(220)과 상기 비금속성 결합제 물질(220) 내에 배치된 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유(231,232,233) 및 복수의 콘택(240)을 포함하는 복합체 부재(210)를 포함할 수 있다. 어떤 구현예에서, 상기 복수의 콘택(240)은 도 2a에 나타낸 바와 같이 한 말단에 배치될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 복수의 콘택(240)은 도 2b에 나타낸 바와 같이 반대편 말단에 배치될 수 있다. 어떤 다른 구현예에서, 상기 복수의 콘택(240)은 도 2c에 나타낸 바와 같이 측면을 따라 배치될 수 있다. 어떤 구현예에서, 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유(231,232,233) 중 적어도 하나(232)는 그 조성 또는 두께, 또는 조성 및 두께 모두에 있어서 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유(231,232,233) 중 하나의 나머지(231,233)와 상이할 수 있다. 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 저항 및 복합체 부재(110,210)의 온도의 함수로서의 저항의 변화 속도는 각 섬유의 직경, 각 섬유의 길이, 섬유 대 결합제의 농도 비, 하나 이상 섬유의 각각의 조성, 비금속성 결합제 물질의 조성, 복합체 부재의 면적 및 복합체 부재의 길이 중 하나 이상에 의해 조절될 수 있는 것으로 여겨진다. 어떤 구현예에서, 상기 복합체 부재(110,210)는 생체적합성일 수 있어서, 상기 장치(100)가 생물학적 애플리케이션을 위한 온도 감지용으로 사용될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 복합체 부재(110,210)는 예를 들면 상승된 습도 및/또는 온도, 소금물, 또는 산성 또는 염기성 환경 내에서와 같은 부식성 환경에서 안정할 수 있다.
상기 복합체 부재(110,210)는 예를 들면 2차원 또는 본질적으로는 평평하거나 매우 얇은 형태의 물체(110,210); 3차원 형태의 물체(310); 실린더(410); 테이퍼형 실린더(510,610); 리본 케이블형 구조(710); 배열(810); 공축 케이블형 구조(910); 번들(도시하지 않음); 시트(도시하지 않음); 및 중공체(도시하지 않음)와 같은 임의의 적합한 구조로 배열될 수 있다. 다양한 구현예에서, 상기 리본 케이블형 구조(710) 및 공축 케이블형 구조(910)는 둘 이상의 영역을 가질 수 있으며, 상기 둘 이상의 영역 중 적어도 하나는 나머지와 상이한 저항률을 가질 수 있다. 그러나, 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,810) 중 임의의 다른 구조는 둘 이상의 영역을 가질 수 있으며, 상기 둘 이상의 영역 중 적어도 하나는 다른 것들과 상이한 전기 저항률을 가질 수 있다. 상기 복합체 부재(110,210,310, 410,510,610,710,810,910)는 나노 크기로부터 매크로 크기 범위의 임의의 적합한 치수를 가질 수 있으며, 적어도 하나의 치수는 약 5 ㎚ 이상이다. 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유(130,231,232,233,330,430,530,630,730,830,930)는 어떤 경우에는 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)의 총 고형 중량의 약 0.001 내지 약 99 중량%의 양으로, 다른 경우에는 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)의 총 고형 중량의 약 10 내지 약 90 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 복합체 부재(110,210,310, 410,510,610,710,810,910)는 약 1.0 내지 약 2.5 g/㎤ 범위의 밀도를 가질 수 있다.
도 10으로 다시 돌아가서, 알루미늄, 구리 및 금과 같은 금속과 본 발명의 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)의 열 전도도 거동을 비교하여 나타나 있다. 구체적으로, 금속과 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610, 710,810,910)의 열 전도도 거동 사이에는 3가지 중요한 차이점이 존재한다. 먼저, 금속과 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)의 전도도에는 중첩 영역이 있으며, 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)의 일부는 대략 10+3 mho-㎝-1의 전도도 또는 대략 알루미늄의 전도도를 가질 수 있다. 실제로 상기 중첩 영역은, 특히 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유(130,231,232,233,330,430,530,630,730,830,930)가 그 조성 내에 전도성 탄소 나노튜브를 포함하고 있을 때, 도 10에 예시된 것보다 큰 것으로 여겨진다. 그럴 경우라도, 구리, 니켈, 은, 금 등과 같은 보다 전도성인 금속의 전도도는 가장 전도성인, 비금속성 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)보다 전형적으로 대략 10배 또는 100배 더 전도성일 수 있다. 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)의 NTC 특성을 보존하는 동시에 금속과 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910) 사이의 이러한 갭이 제거될 때까지, 금속에 대한 전용 도메인으로 계속될 수 있을 것 같은 고전력 전송(high power transmission)과 같은 특정 애플리케이션이 존재할 것이다. 그러나, 예를 들면 전자 레벨의 신호 전송 및 감지; 온도 감지 및 조절과 같은 다른 많은 애플리케이션의 경우, 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)는 기술적인 개선과 기능적인 이점을 나타낸다. 도 10으로 다시 돌아가서, 금속과 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)의 열-전기 전도성 거동 사이에 존재하는 두 번째 차이점은, 금속은 전형적으로 PTC 거동을 나타내지만 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)는 NTC 거동을 나타낸다는 것이다. PTC뿐만 아니라 NTC 거동도 모두 온도 감지기 및 서미스터로 사용하기에 적합할 수 있지만, 예를 들면 NTC-형 거동을 가지면서 적절하게 높은 전도성 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)만을 갖는 보통 또는 낮은 레벨 전력 전송과 같은 특정 애플리케이션에는 NTC 거동이 더 바람직할 수 있다. 금속과 상기 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)의 열-전기 전도성 거동 사이에 존재하는 세 번째 차이점은 금속에 대한 전기 전도도의 범위는 다소 좁은 반면(예를 들면, 약 10+3 내지 약 10+6 mho-㎝-1), 상기 개시된 비금속성 조성의 복합체 부재(110,210,310,410,510,610,710,810,910)로 달성할 수 있는 전도도의 범위는 매우 넓다는 것이다(예를 들면, 약 10+3 내지 약 10-12 mho-cm-1 또는 그 이상). 상기 범위는 현재 상업적으로 입수가능한 서미스터 물질에 의해 제공되는 범위보다 현저하게 더 넓은 것이다.
어떤 구현예에서, 상기 복합체 부재(110)는 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 선형으로 감소될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 복합체 부재는 약 1초 이하의 시간 규모에서 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 복합체 부재의 제조
약 3,000개 필라멘트와 폴리아크릴로니트릴(PAN)계이고 촉매화된 EPON™ 수지 862(Hexion Specialty Chemicals, Columbus, OH)를 갖는 저항성 탄소 섬유 토우(tow)를 종래 인발성형 공정을 이용하여 결합시켜 복합체 부재를 제조하였다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "토우"라는 용어는 연속성 섬유 또는 필라멘트의 꼬이지 않은 번들을 나타낸다. 이후, 상기 섬유-에폭시 복합체를 상업적 인발성형 공정(DFI, Hickory, NC)에 의해 인발성형함과 동시에 상기 복합체를 원형으로 형성하였고, 약 100℃ 내지 약 130℃ 범위의 상승 온도에서 경화시켰다. 고체화함으로써 약 100 ft의 연속적인 길이 및 약 0.020 인치 직경의 막대를 제조하였다. 상기 막대 조성물 부재는 로트 번호 043-0.8T로 나타내었으며, 상기 0.8T는 섬유 토우의 전체 길이가 꼬임 인치 당 0.8 회전을 갖고 있음을 의미한다. 상기 꼬임은 인발성형 공정 내로 들어가기 전에 연속성 필라멘트(PAN 계의 저항성 탄소 섬유) 토우의 길이를 따라 도입되었다. 이후, 약 1 ft 길이로 잘라 약 200℃에서 약 1시간 동안 순환형 공기 오븐에서 후-경화한 후, 실온으로 냉각시켰다.
아울러, 실시예 1의 복합체 부재의 전단 강도는 약 21 MPa 내지 약 36 MPa 범위 내인 것으로 측정되었는데, 이는 많은 금속과 동등하고 대부분의 시판되는 서미스터 물질보다 현저하게 강한 것이다.
실시예 2: 온도의 함수로서의 실시예 1의 복합체 부재의 저항
실시예 1의 복합체 부재를 약 14 ㎝ 길이로 자르고, 실버 인쇄(GC Electronics, Rockford, IL) 전극을 상기 복합체 부재의 각 말단에 도포하였다. 이후, 상기 복합체 부재를 순환형 공기 오븐에서 상기 오븐의 벽 내의 창을 통해 적절한 와이어 훅업(hook up) 납(콘택(140), 도 1에 나타낸 바와 같음)으로 고정시켜 통상의 저항측정기(ohmmeter)에 연결하였다. 시판되는 (열전대 형) 온도 모니터를 사용하여 실험 기간 동안 오븐의 온도를 설정 및 모니터링하였다. 상기 복합체 부재를 약 20℃ 내지 약 80℃ 범위에 걸친 온도에서 약 5℃ 내지 약 10℃ 증가율로 평형을 유지하도록 하였다. 도 11은 상기 복합체 부재의 온도의 함수로서의 저항을 나타낸다. 상기 복합체 부재는 연구된 온도 범위(즉, 60℃)에 걸쳐 저항의 상당한 변화(Δ1.58 kΩ)를 나타내었는데, 이는 -25 Ω/℃의 기울기 및 음의 열 계수(NTC)에 상응한다.
아울러, 상기 기술한 복합체 부재의 반응 시간을 규칙적으로 관찰하였고, 오븐의 온도를 설정 및 조절하기 위해 사용된 시판되는 열전대의 경우와 비교하였다. 대략 100개의 비교점 각각에서, 상기 복합체 부재의 반응 시간은 즉각적인 것으로 나타난 반면, 열전대의 경우에는 수 초 내지 많은 초의 범위였다. 따라서, 대략적으로 추정하면 상기 복합체 부재의 반응 시간은 시판되는 열전대보다 적어도 100 내지 1,000배 더 빨랐다.
실시예 3: 실시예 2의 복합체 부재의 저항에 대한 열 사이클링 효과
오븐의 온도를 약 5℃ 내지 약 10℃의 증가율로 약 20℃ 내지 약 80℃ 범위에서 수차례 오르내리게 함으로써 실시예 2의 복합체 부재에 대해 열 사이클링 시험을 수행하였고, 상기 복합체 부재의 저항을 기록하였다. 도 12는 온도를 60℃의 온도 창에 걸쳐 오르내렸을 때에 측정된 저항을 나타낸다. 상기 데이터는 그 결과물이 현저한 이력현상(hysteresis) 없이 약 ±1% 이하의 정밀도 내에서 반복가능하다는 것을 나타낸다.
실시예 4: 복합체 부재의 길이의 함수로서의 실시예 1의 복합체 부재의 저항
실시예 1의 복합체 부재를 14 ㎝ 길이의 샘플로 자른 후, 실버 인쇄 전극을 10 ㎝ 및 2 ㎝의 공간을 두어 도포하였고, 이들 더 짧은 공간 거리에서 저항을 측정하였다. 일정한 온도 및 습도의 조건 하에 0.1 내지 8 VDC의 범위에 걸쳐 각각의 길이에서 총 12번 측정하였다. 도 13은 길이 또는 공간의 함수로서 측정된 저항을 나타낸다. 도 13은 저항과 복합체 부재 길이 사이의 선형의 상관관계를 명확하게 나타낸다. 아울러, 상기 복합체 부재는 임의의 온도의 감지기가 노출될 수 있는 적용된 전압의 작동 범위에 걸쳐 고전적인 옴성(ohmic) 거동을 나타내었다.
본 발명의 복합체 부재는 또한 3가지 추가 특성 및/또는 거동을 나타낸다. 먼저, 상기 복합체 부재가 유한한(finite) 초기 전기 저항을 갖는다는 점을 고려할 때, 상기 복합체 부재를 통해 전류를 통과시키고, 이렇게 함으로써 저항 가열을 얻을 수 있다. 생성된 열의 레벨은 적용된 전압 및 상기 저항성 복합체 부재를 통해 통과한 전류량의 함수이다. 상기 복합체 부재가 고전적인 I2R 형의 가열 거동을 나타내기 때문에, 상기 복합체 부재는 간헐적 감지 및 가열과 같은 2중 목적으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 감지 및 가열-모드와 온도 보정(compensation) 모두를 제공할 수 있는 다기능 장치를 포함한다. 두 번째로, 상기 비금속성, 전기 전도성 필터 섬유는 전형적으로 수천미터 길이의 연속적인 길이로 제조 및 공급되기 때문에, 종래 와이어 제조 및 인발성형 공정에 의해 길고 가는 단면의 복합체 부재가 매우 저렴하고 용이하게 제조될 수 있다. 상기 짧은 길이의 막대형 복합체 부재는 더 긴 길이로부터 잘려져서 본 발명의 짧은 길이의 성분 감지기로 용이하게 제조되고, 매우 저렴하게 운반될 수 있다. 아울러, 상기 확인된 제조 공정은 단일 리본 케이블형 구조 또는 공축 케이블형 구조의 단면 내에 둘 이상의 전도성 영역이 형성될 수 있는 다중 스트랜드(strand) 구조를 제조하는데 사용될 수 있다. 이는 하나의(아마도 더 큰) 전도성 부재는 전력 또는 신호 레벨의 전송을 위해 채용할 수 있게 하고, 여기에 연속하여 부착된 두 번째 전도성 부재는 상기 전송 부재의 온도를 모니터링(및 아마도 조절)하기 위한 본 발명의 열 반응 부재가 될 수 있도록 한다. 세 번째로, 본 발명의 복합체 부재는 금속(약 6-8 g/㎤)과 비교하여 매우 낮은 질량(약 1.1 내지 2.0 g/㎤)을 가지며, 대부분의 금속과 달리 부식성 환경에서 매우 안정하다.
다양한 구현예에 따르면, 장치의 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은 비금속성 결합제 물질을 제공하는 단계, 상기 비금속성 결합제 내에 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유를 배치함으로써 복합체 부재를 형성하는 단계, 및 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 위에 복수의 콘택을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 복합체 부재는 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소할 수 있다. 어떤 구현예에서, 상기 복합체 부재는 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 선형으로 감소할 수 있다. 어떤 다른 구현예에서, 상기 복합체 부재는 약 1초 이하의 시간 규모에서 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소할 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 복합체 부재는 ℃ 당 약 1 mΩ/℃ 내지 약 100 ㏁/℃의 범위로 저항 감소를 보일 수 있다. 다양한 구현예에서, 상기 비금속성 결합제 내에 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유를 배치함으로써 상기 복합체 부재를 형성하는 단계는 하나 이상의 조성물 및 두께의 측면에서 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 중 하나의 나머지와 상이한 상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 어떤 구현예에서, 하나 이상의 복합체 부재를 형성하는 단계는 2차원 또는 본질적으로는 얇거나 평평한 형태의 물체, 3차원 형태의 물체, 배열, 번들, 시트, 실린더, 테이퍼형 실린더, 중공체, 리본 케이블형 구조 및 공축 케이블형 구조로 구성된 군으로부터 선택되는 구조로 하나 이상의 복합체 부재를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 하나 이상의 복합체 부재 형성 단계는 단일 리본 케이블형 구조 및 공축 케이블형 구조 내에 둘 이상의 영역을 형성하여 상기 두개의 영역 각각이 서로 상이한 저항률을 갖도록 하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 복합체 부재를 형성하기 위하여 예를 들면 인발성형, 필라멘트-와인딩, 프리프레그-형성, 접착제 라미네이팅, 열 라미네이팅, 사출 성형, 압출, 공압출, 인셋(inset) 성형 및 사출 블로잉(injection blowing)과 같은 임의의 적합한 기술이 사용될 수 있다.
특히 높은 민감성, 빠른 반응 속도 및/또는 감지 환경에 대한 영향이 거의 없거나 없는(비-간섭 감지) 것이 요구되는 곳 또는 그 환경이 매우 부식성이어서 종래 장치의 성능이나 수명에 악영향을 미치는 곳에서의 온도 감지를 포함하는 본 발명으로부터 예측되는 많은 용도들이 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 최종 애플리케이션에 중요한 온도 감지는 부가적인 구조적 강점이다. 예를 들면, 디지털 기기 및 고속 오실로스코프 시험 프로브(probe)와 같은 고정밀 측정 장치에서의 온도 보정이 최고 레벨의 정밀도가 요구되는 인-시투(in-situ) 전기 또는 다른 특성을 측정하기 위해 사용되었다. 다른 장치는 임의의 원인으로 인한 프로브 사이의 임의의 변화, 특히 프로브 사이의 온도 변화가 허용될 수 없는 특정한 "베드-오브-네일(bed-of-nail)" 시험기와 같이 서로 협력하여 기능하는 많은 시험 프로브를 요구하는 애플리케이션용이다. 이 경우, 상기 복합체 부재를 포함하는 본 발명의 장치는 외부 보정 전자공학을 사용함으로써, 또는 모든 프로브가 동일한 출력 저항 거동을 가질 수 있도록 하기 위하여 적절한 인-시투 보정을 필요로 하는 이들 프로브가 다양한, 예컨대 감지하기 어려운(subtle) 국소 가열에 의함으로써, 임의의 프로브간 변화를 감지 및 보정하기 위해 사용될 수 있다. 상기 복합체 부재를 포함하는 장치가 사용될 수 있는 다른 영역은 낮거나 보통인 전력 및 신호 레벨 전송인데, 그 이유는 상기 복합체 부재가 예를 들면 안전 장치가 되어 있는(fails-safe) 애플리케이션, 부식성 및/또는 방사선이 많은 환경에서 아마도 종래 금속 와이어에 대한 이상적인 치환체가 되도록 하는 전기 전도도와 NTC 거동 모두를 나타낸다는 사실 때문이다. 예시적인 장치를 위한 추가적인 용도로는 생체적합성이 가장 중요한 생물학적 애플리케이션용 온도 감지; 상기 복합체 부재가 복합 감지기 네트워크 구조를 수용하고 활성형 온도 모니터링을 제공하는 집적(integrated) 감지기 네트; 및 페로 플루이드성(Ferro fluidic) 또는 다른 액체, 기체, 고체 열 전도와 조합된 정밀 염가 활성형 스위칭 온도 조절 시스템, 환경 또는 성분 조절 시스템을 포함한다.

Claims (5)

  1. 복합체 부재를 포함하는 장치로서, 상기 복합체 부재는
    비금속성 결합제 물질 및 상기 비금속성 결합제 물질 내에 배치된 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유; 및
    상기 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유 위에 배치된 복수의 콘택을 포함하며,
    상기 복합체 부재는 온도 증가에 따라 전기 저항이 실질적으로 계속 감소하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합체 부재는 약 1 mΩ/℃ 내지 약 100 ㏁/℃ 범위의 저항 감소를 나타내는 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합체 부재는 2차원 형태의 물체, 3차원 형태의 물체, 배열, 번들, 시트, 실린더, 테이퍼형 실린더, 중공체, 리본 케이블형 구조 및 공축 케이블형 구조로 구성된 군으로부터 선택되는 구조로 배열되어 있는 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 각각의 하나 이상의 비금속성, 전기 전도성 섬유는 부분적으로 탄소화된 폴리아크릴로니트릴, 완전히 탄소화된 폴리아크릴로니트릴, 탄소화된 피치, 탄소 나노튜브계 섬유, 붕소 나이트라이드로부터 만들어진 나노튜브 섬유, 실리콘 및 금속 도핑 실리콘으로 구성된 군으로부터 선택되는 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 비금속성 결합제 물질은 열경화성 폴리머, 열가소성 폴리머, 실리콘, 우레탄, 에폭시, 플루오로폴리머, 엘라스토머, 실리카계 유리, 보로실리케이트 유리, 실리카계 세라믹, 서멧 및 시멘트로 구성된 군으로부터 선택되는 장치.
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