KR20110022567A - 전기 경로를 포함하는 전도성 웨브 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

전기 경로를 포함하는 전도성 웨브 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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KR20110022567A
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데이비스-댕 에이치 난
토마스 마이클 알레스
토마스 데이빗 엘러트
수드한스후 가크하르
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킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
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Abstract

전도성 부직포 웨브를 사용하는 다양한 제품 및 장치가 제공된다. 제품 및 장치는 RFID 시스템, 무선주파수 차폐 시스템, 가요성 전자 회로 구성요소, 발열 요소, 안테나, 전자기 에너지 차폐물, 멤브레인 스위치, 키패드, 및 패키징 시스템을 포함한다. 일 실시예에서, 전도성 부직포 웨브는 펄프 섬유 및/또는 합성 섬유와 조합하여 전도성 탄소 섬유를 함유한다. 초음파 에너지를 사용하여 전도성 재료 내에 전기 경로가 형성된다. 전기 경로는 다양한 전자 장치를 생산하도록 사용될 수 있다.

Description

전기 경로를 포함하는 전도성 웨브 및 이를 제조하는 방법{CONDUCTIVE WEBS CONTAINING ELECTRICAL PATHWAYS AND METHOD FOR MAKING SAME}
관련 출원
본 출원은 2008년 5월 29일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/130,220호에 기초하며 이에 대해 우선권을 주장한다.
근래에 전자 장치를 상이한 유형의 제품 내에 통합시키기 위한 다양한 노력이 이루어졌다. 예를 들어, 더욱 큰 소비자 매력을 갖는 독특한 제품을 생성하기 위해 다양한 의류 물품 내에 간단한 전자 장치가 배치되었다. 전자 장치는 또한 특정 기능을 제공하기 위해 제품 내에 통합되었다. 예를 들어, 본 기술 분야의 당업자는 재고 관리를 위해 또는 다른 목적을 위해 RFID 장치를 비롯한 전자 장치를 다양한 패키징 내에 통합시키는 것을 제안하였다.
전자 장치는 또한 의료 산업의 휴대용 모니터에 사용되도록 제안되었다. 예를 들어, 일 실시예에서, 모니터는 병원 가운 또는 다른 유사한 의복 상에 놓일 수 있고, 환자의 적어도 한가지 상태를 모니터하는 동시에 환자가 병원을 돌아다닐 수 있게 하거나 병원 내에서 옮겨질 수 있게 하도록 구성될 수 있다.
전술된 바와 같은 많은 전자 장치가 경량이면서도 가능한 한 저렴하게 구성된다. 따라서, 장치는 종이, 직포, 부직포 및 중합체 필름과 같은 가요성 기재를 사용하여 제조되었다. 과거에는, 가요성 기재 상에 인쇄되는 전도성 잉크를 사용함으로써 전기 회로가 장치 내에 통합되었다.
그러나, 과거에 전도성 잉크의 사용시 여러 가지 문제점에 직면하였다. 예를 들어, 잉크는 비교적 고가일 뿐만 아니라, 잉크를 직물 재료와 같은 다공성 기재 상에 인쇄시 문제점을 나타내었다. 전도성 잉크가 다공성 재료 상에 인쇄되었을 때, 예를 들어, 전기 전도도의 수준이 과도하게 열화되었다. 또한, 인쇄 공정은 전형적으로 오프-라인(off-line)으로 수행되어야 하며, 이는 제조 공정에 복잡성을 더하고 전체 제품에 추가적인 비용을 더한다.
전술된 바를 고려하여, 다양한 전자 장치 내에 통합되는 전기 회로를 설계 및 생산하기 위한 비교적 저렴한 방식에 대한 필요성이 현재 존재한다.
일반적으로, 본 발명은 전자 장치를 구성하기 위한 하나 이상의 부직포 재료의 사용에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명에 따라 제조되는 부직포 재료는 탄소 섬유와 같은 전도성 섬유를 함유함으로써 전도성을 갖는다. 웨브 내에 비-전도성 구역을 형성함으로써 전도성 부직포 웨브 내에 전기 경로가 형성된다. 본 발명에 따르면, 비-전도성 구역은 전도성 웨브에 초음파 에너지를 인가함으로써 형성된다. 초음파 에너지는 전도성 섬유를 분쇄 및 분해시켜 비-전도성 구역을 생성할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
부직포 웨브 내에 형성되는 전기 경로는 특정 응용에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 전기 회로가 부직포 재료 내에 형성될 수 있다. 전기 회로는 예를 들어 폐쇄 회로 또는 개방 회로를 포함할 수 있다.
전도성 부직포 재료는 본 발명에 따라 비교적 고속으로 그리고 비교적 저비용으로 제조될 수 있다. 실제로, 전도성 부직포 웨브는 흡수 용품, 의료 제품 등과 같은 일회용 제품 내에 통합되도록 설계될 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어, 본 발명은 전자 장치를 구성하는 데 사용되는 제품에 관한 것이다. 이 제품은 전도성 섬유 및 비-전도성 섬유를 포함하는 전도성 부직포 웨브를 포함한다. 전도성 섬유는 탄소 섬유와 같은 비-금속 섬유를 포함할 수 있다. 탄소 섬유는 예를 들어 약 85% 초과, 예컨대 약 88% 초과, 예컨대 약 90% 초과, 예컨대 심지어 약 92% 초과의 순도를 가질 수 있다. 탄소 섬유는 약 1 mm 내지 약 6 mm와 같은 임의의 적합한 길이를 가질 수 있다.
전도성 섬유는 대체로 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 양으로 부직포 웨브 내에 존재할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전도성 섬유는 약 5 중량% 내지 약 25 중량%의 양으로 웨브 내에 존재할 수 있다.
전술된 바와 같이, 부직포 웨브는 탄소 섬유를 함유하는 것 외에, 비-전도성 섬유를 함유할 수 있다. 비-전도성 섬유는 예를 들어 펄프 섬유, 합성 섬유, 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 존재시 합성 섬유는 열가소성 중합체로부터 제조될 수 있다.
비-전도성 구역을 형성하기 위해, 초음파 에너지가 예를 들어 초음파 접합 혼을 사용하여 부직포 웨브에 인가될 수 있다. 초음파 에너지는 예를 들어 약 20 kHz 내지 약 40 kHz의 주파수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 초음파 에너지는 비-전도성 구역이 웨브 내에 포함된 전도성 구역의 저항보다 적어도 4배 큰 저항을 갖도록 하기에 충분한 양으로 부직포 웨브에 인가될 수 있다.
비-전도성 구역을 생성하는 것 외에, 초음파 에너지는 또한 다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 에너지를 웨브에 인가하는 것은 인접 웨브와의 접합을 유발할 수 있다.
실제로, 일 실시예에서, 두 인접 웨브를 함께 접합시키는 것 및/또는 하나 이상의 비-전도성 구역을 생성하는 것 외에, 초음파 에너지는 또한 두 대향 웨브 사이의 전기 연결을 확립하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 연결은 비-전도성 구역에 인접하여 확립될 수 있다.
다층 제품이 예를 들어 다양한 전자 장치를 구성하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 본 발명에 따라 제조되는 전도성 부직포 웨브로부터 스위치가 제조될 수 있다. 전자 스위치는 예를 들어 역시 전도성 부직포 웨브를 포함할 수 있는 대향 전도성 층으로부터 이격되는 전술된 바와 같은 전도성 부직포 웨브를 포함할 수 있다. 두 전도성 층은 이격되지만, 전도성 부직포 웨브 및 대향 전도성 층이 함께 가압될 때 전기 연결을 형성한다. 일 실시예에서, 비-전도성 층이 두 전도성 층 사이에 위치될 수 있다. 비-전도성 층은 예를 들어 그것을 통해 전도성 부직포 웨브와 대향 전도성 층 사이에 전기 연결이 이루어지는 개구를 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 제조될 수 있는 다른 전자 장치는 키보드를 포함한다. 키보드는 예를 들어 복수의 키이(key)를 지정하는 외부 표면을 형성할 수 있다. 키이는 문자 지정부, 숫자 지정부, 또는 이들 둘다의 조합을 포함할 수 있다. 제1 전도성 층이 키이 아래에 위치되고, 제2 전도성 층으로부터 이격된다. 전도성 층들 중 적어도 하나는 본 발명에 따라 제조되는 부직포 웨브를 포함한다. 키이들 중 하나가 눌려질 때, 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에 전기 연결이 이루어진다. 또한, 전도성 층들은 함께 연결될 때, 어떤 해당 키이가 눌려졌는지를 지시하는 경로를 형성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 이들 경로는 초음파 처리된 영역을 사용하여 형성될 수 있다.
키보드는 다양한 층을 포함하여 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 키보드는 비-전도성 층에 의해 분리되는, 본 발명에 따라 제조되는 두 전도성 부직포 웨브를 포함하는 3개의 층을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 키보드는 외부 부직포 웨브 상에 직접 인쇄될 수 있다. 비-전도성 층은 임의의 적합한 비-전도성 재료로부터 제조될 수 있고, 위치 면에서 키보드의 외부 표면 상에 위치하는 키이의 각각에 대응하는 개구를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 키보드는 5층 구성체를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 전술된 3개의 층 외에, 키보드는 커버층 및 백킹층(backing layer)을 더 포함할 수 있다. 제1 전도성 층, 비-전도성 층 및 제2 전도성 층이 커버층과 백킹층 사이에 위치될 수 있다. 커버층은 키이를 표시하는 외부 표면을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 태양이 아래에서 더욱 상세히 논의된다.
다음의 설명, 첨부 특허청구범위 및 첨부 도면을 참조함으로써, 본 발명의 전술된 및 다른 특징 및 태양과 그들을 얻는 방식이 더욱 명백해질 것이고, 본 발명 자체가 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다층 웨브를 형성하기 위한 공정의 일 태양의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 비크레이프형(uncreped) 통기 건조(through-air dried) 웨브를 형성하기 위한 공정의 일 태양의 측면도이다.
도 3은 상이한 전도 구역을 포함한 본 발명에 따라 제조된 전도성 부직포 웨브의 일 태양의 절제 평면도이다.
도 4 내지 도 18은 본 명세서에 기재된 다수의 제품 및 공정의 다양한 도면들이다.
도 19는 본 발명에 따른 전도성 부직포 웨브를 형성하기 위한 공정의 다른 태양의 측면도이다.
본 명세서 및 도면에서 도면 부호의 반복 사용은 본 발명의 동일 또는 유사한 특징부 또는 요소를 나타내도록 의도된다. 도면은 구상적이며, 반드시 축척에 맞게 도시되지는 않는다. 이의 몇몇 부분은 과장될 수 있고, 다른 부분은 최소화될 수 있다.
본 기술 분야의 당업자는 본 논의가 단지 본 발명의 예시적인 태양의 설명이고 본 발명의 더욱 광범위한 태양을 제한하는 것으로 의도되지 않음을 이해하여야 한다.
본 발명은 일반적으로 전도성 요소를 포함하는 제품에 관한 것이다. 본 명세서에 기재되는 몇몇 제품은 일회용이며, 이는 그들이 제한된 사용 후 재사용을 위해 세탁되거나 달리 복구되는 대신에 폐기되도록 설계되는 것을 의미한다.
일반적으로, 본 발명은 전도성 구역 및 비-전도성 구역을 포함하는 전도성 부직포 재료에 관한 것이다. 부직포 재료는 적어도 하나의 다른 유형의 섬유와 조합되는 전도성 섬유를 함유한다. 다른 유형의 섬유는 예를 들어 펄프 섬유, 합성 섬유, 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 전도성 섬유는 재료가 적어도 하나의 방향으로 전도성이게 하기에 충분한 양으로 재료 내에 존재한다.
본 발명에 따르면, 비-전도성 구역은 초음파 에너지를 특정 위치에서 재료에 인가함으로써 전도성 재료 내에 형성된다. 초음파 에너지는 웨브 내에 전기 불연속을 생성하는 방식으로 전도성 섬유를 분쇄하는 것으로 여겨진다. 특별한 이점은, 예를 들어 초음파 에너지가 특정의 및 제어된 위치에서 웨브와 접촉할 수 있게 하는 회전 혼을 사용하여 초음파 에너지가 재료에 인가될 수 있다는 점이다. 이 방식으로, 비-전도성 구역의 패턴이 웨브 내에 형성되어 전기 경로를 생성할 수 있다. 전기 경로는 이어서 전자 장치 내의 전기 회로를 완성하도록 사용될 수 있다. 이 방식으로, 경량이고 유연할 뿐만 아니라 비교적 저비용으로 생산될 수 있는 회로를 포함하는 전자 장치가 본 발명에 따라 생산될 수 있다. 또한, 간단한 회로 및 스위치가 분당 200 피트 초과의 속도와 같은 비교적 고속으로 부직포 재료 내에 제조될 수 있으며, 이는 공정이 전자 장치 또는 다른 물품의 생산 중 라인 내에 일체화될 수 있게 한다.
본 발명에 따라 제조되는 전도성 웨브는 상이한 기술 및 방법을 사용하여 생산될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전도성 부직포 웨브는 상당한 양의 펄프 섬유를 함유할 수 있고, 제지 공정 또는 다른 유사한 웨트 레이(wet lay) 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 실시예들에서, 전도성 부직포 웨브는 상당한 양의 합성 섬유를 함유하여 제조될 수 있다. 상당한 양의 합성 섬유를 함유할 때, 웨브는 웨트 레이드 공정을 사용하여 제조될 수 있거나, 또는 다른 웨브 제조 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전도성 섬유는 단독으로 또는 펄프 섬유와 조합되어, 코폼(coform) 웨브를 형성하기 위한 공정에서 용융 합성 섬유와 조합될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전도성 섬유는 단독으로 또는 펄프 섬유와 조합되어, 스펀본드 웨브와 같은 예비성형된 부직포 웨브와 수류교락(hydroentangled)될 수 있다.
본 발명에 따라 사용될 수 있는 전도성 섬유는 특정 응용 및 원하는 결과에 따라 변할 수 있다. 부직포 웨브를 형성하도록 사용될 수 있는 전도성 섬유는 탄소 섬유, 금속 섬유, 전도성 재료를 함유한 중합체 섬유 또는 전도성 중합체로부터 제조된 섬유를 포함하는 전도성 중합체 섬유, 및 이의 혼합물을 포함한다. 사용될 수 있는 금속 섬유는 예를 들어 구리 섬유, 알루미늄 섬유 등을 포함한다. 전도성 재료를 함유하는 중합체 섬유는 전도성 재료로 코팅되는 열가소성 섬유 또는 전도성 재료로 함침되거나 이와 블렌딩되는 열가소성 섬유를 포함한다. 예를 들어, 일 태양에서, 은으로 코팅되는 열가소성 섬유가 사용될 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 탄소 섬유는 완전히 탄소로부터 제조되는 섬유 또는 섬유가 전기 전도성이게 하기에 충분한 양으로 탄소를 함유하는 섬유를 포함한다. 일 태양에서, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴 중합체로부터 형성되는 탄소 섬유가 사용될 수 있다. 특히, 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴 중합체 섬유의 가열, 산화, 및 탄화에 의해 형성된다. 그러한 섬유는 전형적으로 고순도를 갖고, 비교적 고분자량 분자를 함유한다. 예를 들어, 섬유는 약 85 중량% 초과, 예컨대 약 88 중량% 초과, 예컨대 약 90 중량% 초과, 예컨대 92 중량% 초과, 예컨대 약 95 중량% 초과의 양으로 탄소를 함유할 수 있다.
폴리아크릴로니트릴 중합체 섬유로부터 탄소 섬유를 형성하기 위해, 폴리아크릴로니트릴 섬유를 우선 공기와 같은 산소 환경 내에서 가열한다. 가열하는 동안, 폴리아크릴로니트릴 중합체 내의 시아노 부위가 테트라하이드로피리딘의 반복 시클릭 단위를 형성한다. 가열이 계속됨에 따라, 중합체는 산화하기 시작한다. 산화 중, 수소가 유리되어, 탄소가 방향족 고리를 형성하게 된다.
산화 후, 섬유는 이어서 산소 결핍 환경 내에서 추가로 가열된다. 예를 들어, 섬유는 약 1300 ℃ 초과, 예컨대 1400 ℃ 초과, 예컨대 약 1300 ℃ 내지 약 1800 ℃의 온도로 가열될 수 있다. 가열 중, 섬유는 탄화된다. 탄화 중, 인접 중합체 사슬들이 함께 결합되어, 거의 순수한 탄소의 층상 기초 평면 구조를 형성한다.
폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유는 다수의 상업적 공급처로부터 입수가능하다. 예를 들어, 그러한 탄소 섬유는 미국 테네시주 록우드에 소재한 토호 테낙스 어메리카 인코포레이티드(Toho Tenax America, Inc.)로부터 입수될 수 있다.
탄소 섬유를 제조하는 데 사용되는 다른 원료는 레이온 및 석유 피치이다.
특별한 이점은, 형성된 탄소 섬유가 임의의 적합한 길이로 절단될 수 있다는 점이다. 본 발명의 일 태양에서, 예를 들어, 절단된 탄소 섬유는 약 1 mm 내지 약 12 mm, 예컨대 약 3 mm 내지 약 6 mm의 길이를 갖는 베이스 웨브 내에 혼입될 수 있다. 섬유는 약 3 마이크로미터 내지 약 15 마이크로미터, 예컨대 약 5 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터의 평균 직경을 가질 수 있다. 일 태양에서, 예를 들어, 탄소 섬유는 약 3 mm의 길이 및 약 7 마이크로미터의 평균 직경을 가질 수 있다.
일 태양에서, 부직포 베이스 웨브 내에 혼입되는 탄소 섬유는 수용성 사이징(sizing)을 갖는다. 사이징은 0.1 내지 10 중량%의 양일 수 있다. 수용성 사이징은 폴리아미드 화합물, 에폭시 수지 에스테르, 글리세린 및 폴리(비닐 피롤리돈)일 수 있지만 이로 한정되지는 않는다. 이 방식으로, 사이징은 탄소 섬유 혼합시 물에 용해되어, 부직포 웨브를 형성하기 전에 탄소 섬유의 우수한 수분산액을 제공한다.
본 발명에 따른 전도성 부직포 웨브의 형성시, 위의 전도성 섬유는 티슈 제조 공정에 사용하기에 적합한 다른 섬유와 조합된다. 전도성 섬유와 조합되는 섬유는 면, 마닐라삼, 케나프, 사바이 그래스, 아마, 에스파토 그래스, 짚, 황마 삼베, 버개스, 밀크위드 솜 섬유, 및 파인애플 잎 섬유와 같은 비목질 섬유; 및 북부 및 남부 연질 목재 크래프트 섬유와 같은 연질 목재 섬유; 유칼리나무, 단풍나무, 박달나무, 및 사시나무와 같은 경질 목재 섬유를 포함하는, 낙엽수 및 침엽수로부터 얻어지는 것과 같은 목질 또는 펄프 섬유를 그에 한정됨이 없이 포함하는 임의의 천연 또는 합성 셀룰로오스 섬유를 포함할 수 있다. 펄프 섬유는 고수율 또는 저수율 형태로 준비될 수 있고, 크래프트, 아황산, 고수율 펄핑 방법 및 다른 공지된 펄핑 방법을 포함하는 임의의 공지된 방법으로 펄핑될 수 있다. 1988년 12월 27일자로 라마넨(Laamanen) 등에게 허여된 미국 특허 제4,793,898호; 1986년 6월 10일자로 창(Chang) 등에게 허여된 미국 특허 제4,594,130호; 및 1971년 6월 15일자로 클라이너트(Kleinert)에게 허여된 미국 특허 제3,585,104호에 개시된 섬유 및 방법을 포함하는 유기용매(organosolv) 펄핑 방법으로부터 준비되는 섬유가 또한 사용될 수 있다. 유용한 섬유는 또한 1997년 1월 21일자로 고든(Gordon) 등에게 허여된 미국 특허 제5,595,628호에 의해 예시되는 안트라퀴논 펄핑에 의해 생산될 수 있다.
일 실시예에서, 연질 목재 섬유가 부직포 재료의 생산에 사용된다. 연질 목재 섬유는 더욱 긴 경향이 있고, 이는 제조 및 전환 중 입자 배출을 감소시킨다. 더욱 긴 펄프 섬유는 또한 탄소 섬유와 같은 전도성 섬유와 더욱 우수하게 교락되는 경향이 있다.
연질 목재 섬유와 같은, 부직포 재료 내에 혼입되는 펄프 섬유는 또한 각각의 섬유 상의 접합 부위의 양을 증가시키도록 정제될 수 있다. 접합 부위의 증가는 완성된 재료에서 전도성 섬유와 펄프 섬유의 기계적 교락을 증가시킨다. 이는 처리 중 탄소 섬유 탈락(fallout)이 감소된 아주 평탄한 균일한 종이를 가능하게 한다. 정제 작업은 또한 부직포 재료의 전체 강도를 증가시킨다. 예를 들어, 일 실시예에서, 펄프 섬유는 약 350 mL 초과, 예컨대 약 375 mL 초과의 캐나다 표준 여수도(Canadian Standard Freeness)를 가질 수 있다. 예를 들어, 펄프 섬유는 약 350 mL 내지 약 600 mL의 캐나다 표준 여수도를 갖도록 정제될 수 있다.
최대 100 건중량% 이하와 같은 섬유의 일부분은 레이온, 폴리올레핀 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리비닐 알코올 섬유, 이성분 심초형(sheath-core) 섬유, 다성분 결합제 섬유 등과 같은 합성 섬유일 수 있다. 예시적인 폴리올레핀 섬유는 미국 델라웨어주 윌밍턴에 소재한 허큘리스 인코포레이티드(Hercules, Inc.)로부터 입수가능한 펄펙스(Pulpex)®이다. 합성 셀룰로오스 섬유 유형은 레이온의 모든 변종 및 비스코스 또는 화학적으로-개질된 셀룰로오스로부터 유래되는 다른 섬유를 포함한다.
열가소성 섬유를 부직포 웨브 내에 혼입시키는 것은 다양한 이점 및 이익을 제공할 수 있다. 예를 들어, 열가소성 섬유를 웨브 내에 혼입시키는 것은 웨브가 인접 구조체에 열 또는 초음파에 의해 접합될 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, 웨브는 예컨대 스펀본드 웨브 또는 멜트블로운 웨브를 포함할 수 있는 기저귀 라이너와 같은 다른 부직포 재료에 열접합될 수 있다.
머서가공된(mercerized) 펄프, 화학적으로 경화된 또는 가교결합된 섬유, 또는 술폰화된 섬유와 같은 화학적으로 처리된 천연 셀룰로오스 섬유가 또한 사용될 수 있다. 제지 섬유 사용시 우수한 기계적 특성을 위해서, 섬유가 비교적 손상되지 않고 대부분 정제되지 않거나 단지 약간만 정제되는 것이 바람직할 수 있다. 머서가공된 섬유, 재생 셀룰로오스 섬유, 미생물에 의해 생성된 셀룰로오스, 레이온, 및 다른 셀룰로오스 재료 또는 셀룰로오스 유도체가 사용될 수 있다. 적합한 섬유는 또한 재활용 섬유, 버진 섬유(virgin fiber), 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 몇몇 태양에서, 섬유는 적어도 200, 더욱 구체적으로는 적어도 300, 더욱더 구체적으로는 적어도 400, 가장 구체적으로는 적어도 500의 캐나다 표준 여수도를 가질 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 다른 제지 섬유는 종이 파쇄 또는 재활용 섬유 및 고수율 섬유를 포함한다. 고수율 펄프 섬유는 약 65% 이상, 더욱 구체적으로는 약 75% 이상, 더욱더 구체적으로는 약 75% 내지 약 95%의 수율을 제공하는 펄핑 공정에 의해 생산되는 제지 섬유이다. 수율은 초기 목재 질량의 백분율로서 표현되는 처리된 섬유의 결과적으로 생성된 양이다. 그러한 펄핑 공정은 표백 화학열기계 펄프(BCTMP), 화학열기계 펄프(CTMP), 압력/압력 열기계 펄프(PTMP), 열기계 펄프(TMP), 열기계 화학 펄프(TMCP), 고수율 아황산 펄프, 및 고수율 크래프트 펄프를 포함하며, 이들 모두는 고수준의 리그닌을 갖는 결과적으로 생성된 섬유를 형성한다. 고수율 섬유는 전형적인 화학적으로 펄핑된 섬유에 비해 그들의 건조 상태 및 습윤 상태 둘다에서의 강성으로 잘 알려져 있다.
미국 미주리주 브리지턴에 소재한 졸텍 코포레이션(Zoltek Corporation)으로부터 입수가능한 파넥스(PANEX)®와 같은 방염 섬유가 또한 전도성 시트에 방염성을 제공하도록 본 발명에 사용될 수 있다.
일반적으로, 티슈 웨브를 형성할 수 있는 임의의 웨트-레이드 공정이 전도성 웨브를 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 제지 공정은 엠보싱, 습식 가압, 공기 가압, 통기 건조, 비크레이프형 통기 건조, 수류교락, 에어 레잉뿐만 아니라 본 기술 분야에 공지된 다른 단계도 또한 사용할 수 있다. 티슈 웨브는 펄프 섬유를 최대 96 중량%의 양으로 함유하는 섬유 퍼니쉬(fiber furnish)로부터 형성될 수 있다. 섬유 퍼니쉬는 또한 열가소성 섬유를 최대 96 중량%의 양으로 함유한다.
부직포 웨브는 또한 다음의 미국 특허, 즉 1985년 4월 30일자로 존슨(Johnson) 등에게 허여된 제4,514,345호; 1985년 7월 9일자로 트로칸(Trokhan)에게 허여된 제4,528,239호; 1992년 3월 24일자로 스무르코스키(Smurkoski) 등에게 허여된 제5,098,522호; 1993년 11월 9일자로 스무르코스키 등에게 허여된 제5,260,171호; 1994년 1월 4일자로 트로칸에게 허여된 제5,275,700호; 1994년 7월 12일자로 라쉬(Rasch) 등에게 허여된 제5,328,565호; 1994년 8월 2일자로 트로칸 등에게 허여된 제5,334,289호; 1995년 7월 11일자로 라쉬 등에게 허여된 제5,431,786호; 1996년 3월 5일자로 스틸레스 주니어(Steltjes, Jr.) 등에게 허여된 제5,496,624호; 1996년 3월 19일자로 트로칸 등에게 허여된 제5,500,277호; 1996년 5월 7일자로 트로칸 등에게 허여된 제5,514,523호; 1996년 9월 10일자로 트로칸 등에게 허여된 제5,554,467호; 1996년 10월 22일자로 트로칸 등에게 허여된 제5,566,724호; 1997년 4월 29일자로 트로칸 등에게 허여된 제5,624,790호; 및 1997년 5월 13일자로 에어즈(Ayers) 등에게 허여된 제5,628,876호 중 임의의 것에 개시된 티슈 시트와 같이, 패턴 치밀화되거나 각인될 수 있으며, 이들 특허 문헌의 개시 내용은 그들이 본 명세서와 상충되지 않는 한 본 명세서에 참고로 포함된다. 그러한 각인된 티슈 시트는 각인 직물에 의해 드럼 건조기에 맞대어져 각인된 치밀화된 영역, 및 각인 직물 내의 편향 도관(deflection conduit)에 대응하는 상대적으로 덜 치밀화된 영역[예컨대, 티슈 시트 내의 "돔(dome)"]의 망상조직(network)을 구비할 수 있으며, 여기에서 편향 도관 위에 놓인 티슈 시트는 편향 도관을 가로지른 공기 압력 차이에 의해 편향되어, 보다 낮은 밀도의 베개형 영역 또는 돔을 티슈 시트 내에 형성하였다.
티슈 웨브는 또한 상당한 양의 내부 섬유간(fiber-to-fiber) 접합 강도 없이 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 베이스 웨브를 형성하도록 사용되는 섬유 퍼니쉬는 화학적 탈접합제(debonding agent)로 처리될 수 있다. 탈접합제는 펄핑 공정 중 섬유 슬러리에 첨가될 수 있거나, 또는 헤드박스에 직접 첨가될 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 적합한 탈접합제는 지방 디알킬 4차 아민염, 모노 지방 알킬 3차 아민염, 1차 아민염, 이미다졸린 4차염, 실리콘 4차염 및 불포화 지방 알킬 아민염과 같은 양이온성 탈접합제를 포함한다. 다른 적합한 탈접합제는 본 명세서에 참고로 포함되는, 1996년 6월 25일자로 카운(Kaun)에게 허여된 미국 특허 제5,529,665호에 개시된다. 특히, 카운은 탈접합제로서 양이온성 실리콘 조성물의 사용을 개시한다.
일 태양에서, 본 발명의 공정에 사용되는 탈접합제는 유기 4차 염화암모늄 및 특히 4차 염화암모늄의 실리콘계 아민염이다. 예를 들어, 탈접합제는 미국 델라웨어주 윌밍턴에 소재한 허큘리스 인코포레이티드에 의해 시판되는 프로소프트(PROSOFT)® TQ1003일 수 있다. 탈접합제는 슬러리 내에 존재하는 섬유의 톤(metric tonne)당 약 1 kg 내지 약 10 kg의 양으로 섬유 슬러리에 첨가될 수 있다.
대안적인 태양에서, 탈접합제는 이미다졸린계 탈접합제일 수 있다. 이미다졸린계 탈접합제는 예를 들어 미국 코네티컷주 그리니치에 소재한 윗코 코포레이션(Witco Corporation)으로부터 얻을 수 있다. 이미다졸린계 탈접합제는 톤당 2.0 내지 약 15 kg의 양으로 첨가될 수 있다.
일 태양에서, 탈접합제는 1998년 12월 17일자로 출원된 국제 공개 번호 제WO 99/34057호를 갖는 PCT 출원 또는 2000년 4월 28일자로 출원된 국제 공개 번호 제WO 00/66835호를 갖는 PCT 공개 출원에 개시된 바와 같은 공정에 따라 섬유 퍼니쉬에 첨가될 수 있으며, 이들 문헌 둘다는 본 명세서에 참고로 포함된다. 위의 공개 문헌들에는, 탈접합제와 같은 화학 첨가제가 고수준으로 셀룰로오스 제지 섬유 상으로 흡수되는 공정이 개시된다. 이 공정은 섬유 슬러리를 초과량의 화학 첨가제로 처리하는 단계, 흡수가 일어나도록 하기에 충분한 체류 시간 동안 방치하는 단계, 슬러리를 여과시켜 미흡수된 화학 첨가제를 제거하는 단계, 및 부직포 웨브를 형성하기 전에 여과된 펄프를 새로운 물로 재분산시키는 단계를 포함한다.
습윤 지력 증강제(wet strength agent) 및 건조 지력 증강제(dry strength agent)가 또한 기부 시트 내에 인가되거나 혼입될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "습윤 지력 증강제"는 습윤 상태에서 섬유들 사이의 결합부를 부동화시키도록 사용되는 물질을 지칭한다. 전형적으로, 종이 및 티슈 제품에서 섬유들을 함께 유지시키는 수단은 수소 결합과 때때로 수소 결합과 공유 및/또는 이온 결합의 조합을 포함한다. 본 발명에서, 습윤 상태에서 섬유간 결함점을 부동화시키고 그들을 분열에 저항하게 하도록 섬유들의 결합을 가능하게 할 물질을 제공하는 것이 유용할 수 있다.
티슈 시트에 첨가시 티슈 시트에 약 0.1을 초과하는 평균 습윤 기하학적 인장 강도 대 건조 기하학적 인장 강도 비율을 제공하는 임의의 물질이 본 발명의 목적을 위해 습윤 지력 증강제로 지칭될 것이다. 전형적으로, 이들 물질은 영구 습윤 지력 증강제로서 또는 "일시" 습윤 지력 증강제로서 지칭된다. 영구 습윤 지력 증강제를 일시 습윤 지력 증강제와 구별하기 위해서, 영구 습윤 지력 증강제는 종이 또는 티슈 제품 내에 혼입시, 적어도 5분의 기간 동안 물에 노출 후 그것의 원래 습윤 강도의 50% 초과를 유지시키는 종이 또는 티슈 제품을 제공할 수지로서 정의될 것이다. 일시 습윤 지력 증강제는 5분 동안 물로 포화된 후 그들의 원래 습윤 강도의 약 50% 이하를 보이는 것이다. 이들 두 종류의 습윤 지력 증강제 모두가 본 발명에 적용된다. 펄프 섬유에 첨가되는 습윤 지력 증강제의 양은 섬유의 건중량에 기초하여, 적어도 약 0.1 건중량%, 더욱 구체적으로는 약 0.2 건중량% 이상, 더욱더 구체적으로는 약 0.1 내지 약 3 건중량%일 수 있다.
영구 습윤 지력 증강제는 전형적으로 티슈 시트의 구조에 다소간의 장기 습윤 저항을 제공할 것이다. 반면에, 일시 습윤 지력 증강제는 전형적으로 저밀도 및 고탄성을 갖는 티슈 시트 구조체를 제공할 것이지만, 물 또는 체액에의 노출에 대한 장기 저항을 갖는 구조체를 제공하지는 않을 것이다.
일시 습윤 지력 증강제는 양이온성, 비이온성, 음이온성일 수 있다. 그러한 화합물은 미국 뉴저지주 웨스트 패터슨에 소재한 사이텍 인더스트리즈(Cytec Industries)로부터 입수가능한 양이온성 글리옥실화 폴리아크릴아미드인 파레즈(PAREZ)™ 631 NC 및 파레즈(PAREZ)® 725 일시 습윤 지력 증강 수지를 포함한다. 이 수지 및 유사한 수지가 1971년 1월 19일자로 코시아(Coscia) 등에게 허여된 미국 특허 제3,556,932호 및 1971년 1월 19일자로 윌리암스(Williams) 등에게 허여된 미국 특허 제3,556,933호에 기재된다. 델라웨어주 윌밍턴에 소재한 허큘리스 인코포레이티드에 의해 제조되는 헤르코본드(Hercobond) 1366은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 다른 구매가능한 양이온성 글리옥실화 폴리아크릴아미드이다. 일시 습윤 지력 증강제의 추가적인 예는 미국 일리노이주 시카고에 소재한 내셔널 스타치 앤드 케미컬 컴퍼니(National Starch and Chemical Company)로부터의 코본드(Cobond)® 1000과 같은 디알데하이드 전분과, 2001년 5월 1일자로 슈뢰더(Schroeder) 등에게 허여된 미국 특허 제6,224,714호; 2001년 8월 14일자로 섀논(Shannon) 등에게 허여된 미국 특허 제6,274,667호; 2001년 9월 11일자로 슈뢰더 등에게 허여된 미국 특허 제6,287,418호; 및 2002년 4월 2일자로 섀논 등에게 허여된 미국 특허 제6,365,667호에 개시된 것과 같은 중합체를 함유하는 다른 알데하이드를 포함하며, 이들 특허 문헌의 개시 내용은 그들이 본 명세서와 상충되지 않는 한 본 명세서에 참고로 포함된다.
양이온성 저중합체 또는 중합체 수지를 포함하는 영구 습윤 지력 증강제가 본 발명에 사용될 수 있다. 미국 델라웨어주 윌밍턴에 소재한 허큘리스 인코포레이티드에 의해 판매되는 카이메네(KYMENE) 557H와 같은 폴리아미드-폴리아민-에피클로로히드린 타입 수지가 가장 널리 사용되는 영구 습윤 지력 증강제이고, 본 발명에 사용하기에 적합하다. 그러한 물질은 다음의 미국 특허, 즉 1972년 10월 24일자로 케임(Keim)에게 허여된 제3,700,623호; 1973년 11월 13일자로 케임에게 허여된 제3,772,076호; 1974년 12월 17일자로 페트로비치(Petrovich) 등에게 허여된 제3,855,158호; 1975년 8월 12일자로 페트로비치 등에게 허여된 제3,899,388호; 1978년 12월 12일 페트로비치 등에게 허여된 제4,129,528호; 1979년 4월 3일자로 페트로비치 등에게 허여된 제4,147,586호; 1980년 9월 16일자로 판 에남(van Eenam)에게 허여된 제4,222,921호에 기재되었다. 다른 양이온성 수지는 포름알데히드와 멜라민 또는 우레아의 반응에 의해 얻어지는 아미노플라스트 수지 및 폴리에틸렌이민 수지를 포함한다. 티슈 제품의 제조시 영구 습윤 지력 증강제 및 일시 습윤 지력 증강제를 둘다 사용하는 것이 유리할 수 있다.
일 실시예에서, 비교적 다량의 습윤 지력 증강제가 부직포 재료 내에 혼입된다. 습윤 지력 증강제는 또한 제품의 건조 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 습윤 지력 증강제는 전도성 섬유의 유지를 개선하기 위해 재료 내에서의 섬유의 화학적 교락을 돕는다. 부직포 재료에 첨가되는 습윤 지력 증강제의 양은 다양한 상이한 요인에 따라 변할 수 있다. 일반적으로, 예를 들어, 습윤 지력 증강제는 약 1 kg/톤(mton) 내지 약 12 kg/톤, 예컨대 약 5 kg/톤 내지 약 10 kg/톤의 양으로 첨가될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 가능한 한 많은 습윤 지력 증강제를 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 실시예에서, 예를 들어, 습윤 지력 증강제는 약 7 kg/톤 초과의 양으로, 예컨대 약 8 kg/톤 초과의 양으로 첨가될 수 있다.
건조 지력 증강제는 본 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 양이온성, 양쪽성(amphoteric) 및 음이온성 전분과 구아 및 로커스트 빈 검, 개질 폴리아크릴아미드, 카르복시메틸셀룰로오스, 당, 폴리비닐 알코올, 키토산 등과 같은 개질 전분 및 다른 다당류를 포함하지만 이로 한정되지는 않는다. 그러한 건조 지력 증강제는 전형적으로 티슈 시트 형성 전에 또는 크레이핑 패키지의 일부로서 섬유 슬러리에 첨가된다.
부직포 웨브에 첨가될 수 있는 추가적인 유형의 화학물질은 보통 양이온성, 음이온성 또는 비이온성 계면활성제, 보습제 및 저분자량 폴리에틸렌 글리콜과 같은 가소제와 글리세린 및 프로필렌 글리콜과 같은 폴리하이드록시 화합물 형태의 흡수 보조제(absorbency aid)를 포함하지만 이로 한정되지는 않는다. 미네랄 오일, 알로에 추출물, 비타민 E, 실리콘, 일반 로션 등과 같은, 피부 건강 이익을 제공하는 물질이 또한 완성된 제품 내에 혼입될 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 제품은 그것의 의도된 사용에 반하지 않는 임의의 공지된 물질 및 화학물질과 함께 사용될 수 있다. 그러한 물질의 예는 베이비 파우더, 베이킹 소다, 킬레이트제, 제올라이트, 향수 또는 다른 방취제, 사이클로덱스트린 화합물, 산화제 등을 포함하지만 이로 한정되지는 않는다. 특별한 이점은, 탄소 섬유가 전도성 섬유로서 사용될 때, 탄소 섬유가 또한 흡취제의 역할을 한다는 점이다. 고흡수성 입자, 합성 섬유 또는 필름이 또한 사용될 수 있다. 추가적인 선택 물질은 염료, 형광 증백제, 보습제, 연화제 등을 포함한다.
본 발명에 따라 제조되는 부직포 웨브는 단일의 균질한 섬유층을 포함할 수 있거나, 또는 성층(stratified) 또는 층상 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 부직포 웨브 겹(ply)은 2개 또는 3개의 섬유층을 포함할 수 있다. 각각의 층은 상이한 섬유 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1을 보면, 다층의 성층된 펄프 퍼니쉬를 형성하기 위한 장치의 일 태양이 도시된다. 도시된 바와 같이, 3층 헤드박스(10)는 일반적으로 상부 헤드박스 벽(12) 및 하부 헤드박스 벽(14)을 포함한다. 헤드박스(10)는 3개의 섬유 스톡 층을 분리하는 제1 분할기(16) 및 제2 분할기(18)를 또한 포함한다.
섬유층의 각각은 섬유의 묽은 수성 현탁액을 포함한다. 각각의 층 내에 함유되는 특정 섬유는 일반적으로 형성되는 제품 및 원하는 결과에 의존한다. 일 태양에서, 예를 들어, 중간층(20)은 전도성 섬유와 함께 펄프 섬유를 함유한다. 반면에, 외부층(22, 24)은 연질 목재 섬유 및/또는 경질 목재 섬유와 같은 펄프 섬유만을 함유할 수 있다.
전도성 섬유를 중간층(20) 내에 두는 것은 다양한 이점 및 이익을 제공할 수 있다. 전도성 섬유를 웨브의 중심에 두는 것은 예를 들어 여전히 그 표면 상에서 부드러운 촉감을 갖는 전도성 재료를 생산할 수 있다. 섬유를 웨브의 층들 중 하나 내에 집중시키는 것은 또한 대량의 전도성 섬유를 추가할 필요 없이 재료의 전도성을 개선시킬 수 있다. 일 태양에서, 예를 들어, 각각의 층이 웨브의 약 15 중량% 내지 약 40 중량%를 차지하는 3층 웨브가 형성된다. 외부층은 단지 펄프 섬유만으로, 또는 펄프 섬유 및 열가소성 섬유의 조합으로 제조될 수 있다. 반면에, 중간층은 전도성 섬유와 조합되는 펄프 섬유를 함유할 수 있다. 전도성 섬유는 약 30 중량% 내지 약 70 중량%의 양으로, 예컨대 약 40 중량% 내지 약 60 중량%의 양으로, 예컨대 약 45 중량% 내지 약 55 중량%의 양으로 중간층 내에 함유될 수 있다.
롤(28, 30)에 의해 적합하게 지지 및 구동되는 무한 이동 성형 직물(26)이 헤드박스(10)로부터 방출되는 층상 제지 스톡을 수용한다. 일단 직물(26) 상에 유지되면, 층상 섬유 현탁액은 화살표(32)로 도시된 바와 같이 직물을 통해 물을 통과시킨다. 물의 제거는 성형 형태에 따라 중력, 원심력 및 진공 흡인력의 조합에 의해 달성된다.
다층 종이 웨브를 형성하는 것이 또한 본 명세서에 참고로 포함되는, 1992년 7월 14일자로 패링턴 주니어(Farrington, Jr.)에게 허여된 미국 특허 제5,129,988호에 기재 및 개시된다.
전술된 바와 같이, 다른 실시예들에서, 부직포 웨브는 단일의 균질한 섬유층을 포함할 수 있다. 균질한 웨브 생산시, 일 실시예에서, 펄프 섬유 및/또는 합성 섬유를 함유하는 수성 현탁액이 우선 생산된다. 이어서, 수성 현탁액을 성형 표면 상에 침착시키기 전에 탄소 섬유와 같은 전도성 섬유가 수성 현탁액 내에 주입된다. 예를 들어, 전도성 섬유는 섬유를 성형 표면 상에 침착시키기 전에 헤드박스에서 섬유의 수성 현탁액 내에 주입될 수 있다. 펄프 및/또는 합성 섬유의 수성 현탁액은 예를 들어 99 중량% 초과의 물을 함유할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 펄프 및/또는 합성 섬유의 수성 현탁액은 섬유를 1 중량% 미만의 양으로, 예컨대 약 0.5 중량%의 양으로 함유한다. 전도성 섬유가 이어서 유사한 희박도(dilution)로 수성 현탁액 내에 주입될 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유를 약 0.5 중량%의 양으로 함유하는 탄소 섬유의 수성 현탁액이 펄프 및/또는 합성 섬유의 수성 현탁액 내에 주입될 수 있다.
전도성 섬유를 펄프 및/또는 합성 섬유의 수성 현탁액 내에 주입하는 것은 전도성 섬유의 플록(flock)의 형성을 감소시키는 것으로 확인되었다. 플록은 섬유들이 함께 혼합되는 시간의 양이 증가할 때 더욱 형성되기 쉬운 것으로 밝혀졌다. 플록의 생성은 예를 들어 결과적으로 생성된 재료 내에 취약 지점을 형성할 수 있고, 부직포 재료가 추후에 처리될 때 웨브의 파단을 초래할 수 있다.
일단 섬유의 수성 현탁액이 부직포 웨브로 형성되면, 웨브는 다양한 기술 및 방법을 사용하여 처리될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 보면, 비크레이프형 통기 건조 티슈 시트를 제조하기 위한 방법이 도시된다. 일 태양에서, 비크레이프형 통기 건조 공정을 사용하여 부직포 웨브를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 형성 중 부직포 웨브를 크레이프하는 것은 부직포 웨브 내의 전도성 섬유의 망상조직을 파괴함으로써 전도성 섬유에 손상을 초래할 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 부직포 웨브는 비-전도성이 된다.
간단함을 위해서, 몇몇 직물 진행을 규정하도록 도식적으로 사용되는 다양한 인장 롤이 도시되지만 도면 부호로 표기되지는 않는다. 도 2에 도시된 장치 및 방법의 여러 변형이 전반적인 공정으로부터 벗어나지 않고서 이루어질 수 있는 것으로 인식하여야 한다. 제지 섬유의 수성 현탁액의 스트림(36)을 성형 롤(39) 상에 위치된 성형 직물(38) 상에 분사 또는 침착시키는, 층상 헤드박스와 같은 제지 헤드박스(34)를 구비하는 쌍망 초지기(twin wire former)가 도시된다. 성형 직물은 새로이 형성된 습윤 웨브가 약 10 건중량%의 농도(consistency)로 부분적으로 탈수될 때 이 웨브를 지지하면서 공정의 하류로 운반하는 역할을 한다. 습윤 웨브가 성형 직물에 의해 지지되는 동안, 습윤 웨브의 추가적인 탈수가 예컨대 진공 흡인력에 의해 수행될 수 있다.
습윤 웨브는 이어서 성형 직물로부터 전달 직물(40)로 전달된다. 한가지 선택적인 태양에서, 전달 직물은 웨브 내에 증가된 연신을 제공하기 위해 성형 직물보다 느린 속도로 이동할 수 있다. 이는 일반적으로 "러쉬(rush)" 전달로 지칭된다. 두 직물 사이의 상대 속도 차이는 0-15%, 더욱 구체적으로는 약 0-8%일 수 있다. 전달은 바람직하게는 성형 직물 및 전달 직물이 진공 슬롯의 전연(leading edge)에서 동시에 모이고 분기하도록 진공 슈(shoe)(42)의 도움으로 수행된다.
웨브는 이어서 선택적으로 전술된 바와 같은 고정 간극 전달을 다시 사용하여, 진공 전달 롤(46) 또는 진공 전달 슈의 도움으로 전달 직물로부터 통기 건조 직물(44)로 전달된다. 통기 건조 직물은 전달 직물에 대해 대략 동일한 속도로 또는 상이한 속도로 이동할 수 있다. 원한다면, 통기 건조 직물은 연신을 더욱 향상시키기 위해 보다 느린 속도로 주행할 수 있다. 전달은 시트의 변형을 통기 건조 직물에 합치하도록 보장하기 위해 진공의 도움으로 수행될 수 있어, 원한다면 원하는 벌크 및 외양을 산출할 수 있다. 적합한 통기 건조 직물은 본 명세서에 참고로 포함되는, 1995년 7월 4일자로 카이 에프. 치우(Kai F. Chiu) 등에게 허여된 미국 특허 제5,429,686호 및 1997년 9월 30일자로 웬트(Wendt) 등에게 허여된 미국 특허 제5,672,248호에 기재된다.
일 태양에서, 통기 건조 직물은 비교적 매끄러운 표면을 제공한다. 대안적으로, 직물은 높고 긴 각인 너클(impression knuckle)을 포함할 수 있다.
통기 건조 직물과 접촉하는 웨브의 면은 전형적으로 부직포 웨브의 "직물면"으로 지칭된다. 웨브의 직물면은 전술된 바와 같이, 직물이 통기 건조기 내에서 건조된 후 통기 건조 직물의 표면에 합치되는 형상을 가질 수 있다. 반면에, 종이 웨브의 대향면은 전형적으로 "공기면"으로 지칭된다. 웨브의 공기면은 전형적으로 정상 통기 건조 공정 중 직물면보다 매끄럽다.
웨브 전달에 사용되는 진공의 수준은 약 3 내지 약 15 인치 수은주(75 내지 약 380 밀리미터 수은주), 바람직하게는 약 5 인치(125 밀리미터) 수은주일 수 있다. 진공 슈(음압)는 웨브를 진공에 의해 다음 직물 상으로 흡인하는 것에 추가적으로 또는 그의 대안으로서 웨브를 다음 직물 상으로 불어내기 위해 웨브의 대향면으로부터의 양압의 사용에 의해 보충되거나 대체될 수 있다. 또한, 진공 롤 또는 롤들이 진공 슈(들)를 대체하도록 사용될 수 있다.
통기 건조 직물에 의해 지지되는 동안, 웨브는 통기 건조기(48)에 의해 약 94% 이상의 농도로 마지막으로 건조된 후에, 캐리어 직물(50)로 전달된다. 건조된 기부 시트(52)는 캐리어 직물(50) 및 선택적인 캐리어 직물(56)을 사용하여 릴(54)로 수송된다. 선택적인 가압된 회전 롤(58)이 캐리어 직물(50)로부터 직물(56)로의 웨브의 전달을 용이하게 하도록 사용될 수 있다. 이 목적에 적합한 케리어 직물은 모두 미세 패턴을 갖는 비교적 매끄러운 직물인 알바니 인터내셔널(Albany International) 84M 또는 94M 및 아스텐(Asten) 959 또는 937이다. 도시되진 않았지만, 릴 캘린더링 또는 후속 오프라인 캘린더링이 기부 시트의 매끄러움 및 부드러움을 개선시키도록 사용될 수 있다. 웨브를 캘린더링하는 것은 또한 전도성 섬유가 소정 평면에서 또는 소정 방향으로 배향되게 할 수 있다. 예를 들어, 일 태양에서, 웨브는 주로 전도성 섬유 모두가 X-Y 평면 내에 놓이고 Z 방향으로 놓이지 않게 하기 위해 캘린더링될 수 있다. 이 방식으로, 웨브의 전도도가 향상되는 동시에, 웨브의 부드러움도 또한 향상될 수 있다.
일 태양에서, 부직포 웨브(52)는 평탄한 상태로 건조된 웨브이다. 예를 들어, 웨브는 웨브가 매끄러운 통기 건조 직물 상에 있는 동안 형성될 수 있다. 비크레이프형 통기 건조 직물을 생산하기 위한 공정은 예를 들어 1992년 7월 14일자로 웬트 등에게 허여된 미국 특허 제5,672,248호; 1997년 8월 12일자로 패링턴 등에게 허여된 미국 특허 제5,656,132호; 2000년 9월 19일자로 린제이(Lindsay) 및 부라진(Burazin)에게 허여된 미국 특허 제6,120,642호; 2000년 8월 1일자로 허만스(Hermans) 등에게 허여된 미국 특허 제6,096,169호; 2001년 3월 6일자로 첸(Chen) 등에게 허여된 미국 특허 제6,197,154호; 및 2000년 11월 7일자로 하다(Hada) 등에게 허여된 미국 특허 제6,143,135호에 개시되며, 이들 특허 문헌 모두는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
도 2에, 비크레이프형 통기 건조 웨브를 생산하기 위한 공정이 도시된다. 그러나, 크레이핑을 사용하지 않는 임의의 적합한 공정 또는 기술이 전도성 부직포 웨브를 형성하는 데 사용될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
예를 들어, 도 19를 보면, 본 발명에 따른 부직포 웨브를 형성하도록 사용될 수 있는 다른 공정이 도시된다. 도 19에 도시된 실시예에서, 새로이 형성된 웨브는 공정 중 습식 가압된다.
이 실시예에서, 헤드박스(60)가 복수의 가이드 롤(64)에 의해 지지 및 구동되는 성형 직물(62) 상으로 섬유의 수성 현탁액을 방출한다. 헤드박스(60)는 도 1에 도시된 헤드박스(34)와 유사할 수 있다. 또한, 섬유의 수성 현탁액은 전술된 바와 같이 전도성 섬유를 함유할 수 있다. 진공 박스(66)가 성형 직물(62) 아래에 배치되고, 웨브 형성을 돕기 위해 섬유 퍼니쉬로부터 물을 제거하도록 구성된다. 성형 직물(62)로부터, 형성된 웨브(68)가 와이어 또는 펠트일 수 있는 제2 직물(70)로 전달된다. 직물(70)은 복수의 가이드 롤(72)에 의해 연속 경로 주위로 이동하도록 지지된다. 직물(62)로부터 직물(70)로의 웨브(68)의 전달을 용이하게 하도록 구성되는 픽업 롤(74)이 또한 포함된다.
직물(70)로부터, 웨브(68)는 이 실시예에서 양키(Yankee) 건조기와 같은 회전가능 가열 건조기 드럼(76)의 표면으로 전달된다. 도시된 바와 같이, 웨브(68)가 건조기 표면의 회전 경로의 일부분을 통해 운반될 때, 열이 웨브에 인가되어, 웨브 내에 함유된 수분의 대부분이 증발되게 한다. 웨브(68)는 이어서 웨브의 크레이핑 없이 건조기 드럼(76)으로부터 제거된다.
웨브(68)를 건조기 드럼(76)으로부터 제거하기 위해서, 일 실시예에서, 건조기 드럼의 표면에 또는 건조기 드럼과 접촉하는 웨브의 면에 이형제(release agent)가 도포될 수 있다. 일반적으로, 웨브의 크레이핑의 필요성을 회피하기 위해 드럼으로부터의 웨브의 제거를 용이하게 하는 임의의 적합한 이형제가 사용될 수 있다.
사용될 수 있는 이형제는 예를 들어 허큘리스 케미컬 컴퍼니에 의해 상품명 레조졸(REZOSOL)로 판매되는 것과 같은 폴리아미도아민 에피클로로히드린 중합체를 포함한다. 본 발명에 사용될 수 있는 특정 이형제는 모두 허큘리스 케미컬 컴퍼니로부터 입수가능한 릴리즈 에이전트(Release Agent) 247, 레조졸 1095, 크레이프트롤(Crepetrol) 874, 레조졸 974, 프로소프트(ProSoft) TQ-1003, 모두 버크만 래보러토리즈(Buckman Laboratories)로부터 입수가능한 버스퍼스(Busperse) 2032, 버스퍼스 2098, 버스퍼스 2091, 버크만 699, 및 모두 날코(Nalco)로부터 입수가능한 640C 릴리즈, 640D 릴리즈, 64575 릴리즈, DVP4V005 릴리즈, DVP4V008 릴리즈를 포함한다.
도 2 또는 도 19에 도시된 바와 같은 부직포 재료를 제조하는 공정 중, 웨브는 평탄화되고 치밀화될 수 있다. 웨브를 평탄화시키거나 치밀화시키기 위한 한가지 기술은 대향 캘린더 롤들의 닙을 통해 웨브를 이송시키는 것이다. 시트를 평탄화시키고 치밀화시키는 것은 추가 처리 중 탄소 섬유의 탈락을 감소시키는 것으로 확인되었다. 웨브를 평탄화시키는 것은 전체 캘리퍼 또는 두께를 감소시키고, 전도성 섬유 망상조직 및 균일도를 증가시킴으로써 재료의 전기 전도도를 증가시킨다. 재료의 두께를 감소시키는 것은 또한 제품 처리 중 재료 롤의 진행 시간을 증가시킬 수 있으며, 이는 효율, 폐기물 및 지연을 개선시킨다. 증가된 전도도는 완성된 재료 내에 함유되는 전도성 섬유의 전체적인 감소를 가능하게 할 수 있다.
웨브를 캘린더링할 때, 웨브는 건조 상태에서 또는 습윤 상태에서 캘린더링될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 캘린더 롤은 적어도 900 PLI, 예컨대 약 900 PLI 내지 약 1100 PLI의 압력을 인가할 수 있다. 예를 들어, 한가지 특정 실시예에서, 캘린더링 롤에 의해 인가되는 압력은 약 950 PLI 내지 약 1000 PLI, 예컨대 약 980 PLI의 압력일 수 있다.
대안적인 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 웨브는, 웨브를 건조시킬 뿐만 아니라 웨브를 평탄화시키고 치밀화시키는 복수의 건조 실린더에 맞대어져 가압될 수 있다. 예를 들어, 도 6을 보면, 복수의 연속적인 건조 실린더(80)가 도시된다. 이 실시예에서, 6개의 연속적인 건조 실린더가 도시된다. 그러나, 다른 실시예들에서는 더 많거나 더 적은 건조 실린더가 사용될 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 8개 내지 12개의 연속적인 건조 실린더가 공정 내에 통합될 수 있다.
도시된 바와 같이, 임의의 적합한 공정에 따라 형성된 습윤 웨브(82)가 제1 건조 실린더(80)와 맞물리게 가압된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 직물 또는 적합한 컨베이어가 웨브를 건조 실린더의 표면에 맞대어 가압시키도록 사용될 수 있다. 웨브는 제2 건조 실린더와 맞물리게 가압되기 전에 적어도 약 150°, 예컨대 적어도 약 180°로 건조 실린더 주위를 감싼다. 건조 실린더의 각각은 공정 중 웨브를 건조시키기 위한 최적화된 온도로 가열될 수 있다.
부직포 웨브는 인장 강도를 증가시키기 위해 또는 절연층의 역할을 하는 것과 같은 다른 기능을 생성하기 위해 라텍스 또는 전분과 같은 첨가제로 일면 또는 양면에서 코팅될 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 부직포 웨브는 웨브가 사용될 응용 및 원하는 결과에 따라 다양한 상이한 특성 및 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 부직포 웨브는 약 15 gsm 내지 약 200 gsm 이상의 평량을 가질 수 있다. 예를 들어, 부직포 웨브의 평량은 약 15 gsm 내지 약 110 gsm, 예컨대 약 15 gsm 내지 약 50 gsm일 수 있다.
원한다면, 부직포 웨브는 비교적 높은 벌크(bulk) 또는 비교적 낮은 벌크로 제조될 수 있다. 예를 들어, 벌크는 약 2 cc/g 내지 약 20 cc/g, 예컨대 약 3 cc/g 내지 약 10 cc/g일 수 있다.
비교적 낮은 벌크를 갖는 부직포 웨브를 생산할 때, 벌크는 대체로 약 2 cc/g 미만, 예컨대 약 1 cc/g 미만, 예컨대 0.5 cc/g 미만일 수 있다.
시트 "벌크"는 마이크로미터 단위로 표현되는 건조 티슈 시트의 캘리퍼를 제곱 미터당 그램 단위로 표현되는 건조 평량으로 나눈 몫으로서 계산된다. 결과적으로 생성된 시트 벌크는 그램당 입방 센티미터 단위로 표현된다. 보다 구체적으로, 캘리퍼는 10개의 대표적인 시트의 스택의 총 두께를 10으로 나누어 측정되며, 여기에서 스택 내의 각각의 시트는 동일한 면을 위로 하여 배치된다. 캘리퍼는 적층된 시트들에 대한 주 3이 병기된 TAPPI 시험 방법 T411 om-89 "종이, 판지 및 합판지의 두께(캘리퍼)(Thickness (caliper) of Paper, Paperboard, and Combined Board)"에 따라 측정된다. T411 om-89를 수행하는 데 사용되는 마이크로미터는 미국 오리건주 뉴버그에 소재한 엠베코 인코포레이티드(Emveco, Inc.)로부터 입수가능한 엠베코 200-A 티슈 캘리퍼 테스터이다. 마이크로미터는 2.00 킬로파스칼의 하중(제곱 인치당 132 그램), 2500 제곱 밀리미터의 누르개(pressure foot) 면적, 56.42 밀리미터의 누르개 직경, 3초의 지속 시간 및 초당 0.8 밀리미터의 하강 속도를 갖는다.
본 발명에 따라 제조되는 부직포 웨브는 또한 취급을 용이하게 하기 위해 충분한 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 웨브는 기계 또는 길이 방향으로 약 5000 그램 힘(force) 초과, 예컨대 약 5500 그램 힘 초과, 예컨대 심지어 약 6000 그램 힘 초과의 강도[또는 최대 부하(peak load)]를 가질 수 있다. 부직포 재료의 인장 시험이 예를 들어 300 mm/분 및 75 mm 게이지 길이로 1인치 폭 시편에 수행될 수 있다.
부직포 웨브의 전도도는 또한 웨브 내에 혼입되는 전도성 섬유의 유형, 웨브 내에 혼입되는 전도성 섬유의 양, 및 전도성 섬유가 웨브 내에 위치되거나 밀집되거나 배향되는 방식에 따라 변할 수 있다. 일 태양에서, 예를 들어, 부직포 웨브는 약 1500 오옴/스퀘어 미만, 예컨대 약 100 오옴/스퀘어 미만, 예컨대 약 10 오옴/스퀘어 미만의 저항을 가질 수 있다.
시트의 전도도는 오옴 단위로 표현되는 시트의 저항 측정치를 시트의 길이 대 폭의 비로 나눈 몫으로서 계산된다. 결과적으로 생성된 시트 저항은 오옴/스퀘어 단위로 표현된다. 보다 구체적으로, 저항 측정은 ASTM F1896-98 "인쇄 전도성 재료의 전기 비저항을 결정하기 위한 시험 방법(Test Method for Determining the Electrical Resistivity of a Printed Conductive Material)"에 따른다. ASTM F1896-98을 수행하는 데 사용되는 저항 측정 장치(또는 저항계)는 둘다 미국 워싱턴주 에버렛에 소재한 플루크 코포레이션(Fluke Corporation)으로부터 입수가능한 플루크 엘리게이터 클립(모델 AC120)을 갖춘 플루크 멀티미터(모델 189)이다.
본 발명에 따라 제조된 결과적으로 생성된 전도성 웨브는 단겹(single ply) 제품으로서 단독으로 사용될 수 있거나, 또는 다겹(multi-ply) 제품을 형성하도록 다른 웨브와 조합될 수 있다. 일 태양에서, 전도성 부직포 웨브는 2겹 제품 또는 3겹 제품을 형성하도록 다른 티슈 웨브와 조합될 수 있다. 다른 티슈 웨브는 예를 들어 완전히 펄프 섬유로부터 제조될 수 있고, 전술된 공정들 중 임의의 것에 따라 제조될 수 있다.
대안적인 태양에서, 본 발명에 따라 제조되는 전도성 부직포 웨브는 다른 부직포 또는 중합체 필름 재료에 접착제를 사용하여 또는 다른 방식으로 라미네이트될 수 있다. 예를 들어, 일 태양에서, 전도성 부직포 웨브는 폴리프로필렌 섬유와 같은 중합체 섬유로부터 제조되는 멜트블로운 웨브 및/또는 스펀본드 웨브에 라미네이트될 수 있다. 전술된 바와 같이, 일 태양에서, 전도성 부직포 웨브는 합성 섬유를 함유할 수 있다. 이 태양에서, 부직포 웨브는 멜트블로운 웨브 또는 스펀본드 웨브와 같은, 합성 섬유를 함유하는 대향 웨브에 접합될 수 있다.
전도성 부직포 웨브를 다겹 제품 내에 통합시키는 것은 다양한 이점 및 이익을 제공할 수 있다. 예를 들어, 결과적으로 생성된 다겹 제품은 더욱 우수한 강도를 가질 수 있고, 더욱 부드러울 수 있으며, 및/또는 더욱 우수한 액체 위킹(wicking) 특성을 가질 수 있다.
웨트 레이드 웨브 외에, 본 발명에 따라 제조되는 부직포 재료는 다양한 다른 기술 및 공정을 사용하여 생산될 수 있다. 예를 들어, 대안적인 실시예에서, 부직포 재료는 수류교락 공정에 따라 형성될 수 있다. 수류교락 공정은 고도로 교락된 통합된 섬유질 구조체를 형성하기 위해 섬유 및/또는 필라멘트를 교락시키도록 물의 고압 제트 스트림을 사용한다. 특히, 전도성 섬유 및/또는 펄프 섬유는 물의 제트 스트림을 사용하여 예비성형된 부직포 웨브와 조합될 수 있다. 예비성형된 웨브는 예를 들어 합성 섬유로부터 제조되는 스펀본드 웨브를 포함할 수 있다.
수류교락된 부직포 직물은 예를 들어 둘다 본 명세서에 참고로 포함되는 에반스(Evans)에게 허여된 미국 특허 제3,494,821호 및 볼튼(Bouolton)에게 허여된 미국 특허 제4,144,370호에 개시된다. 수류교락된 복합 부직포 직물이 또한 둘다 본 명세서에 참고로 포함되는 에버하트(Everhart)에게 허여된 미국 특허 제5,284,703호 및 앤더슨(Anderson)에게 허여된 미국 특허 제6,315,864호에 개시된다.
대안적인 실시예에서, 코폼 공정이 전도성 부직포 웨브를 생산하도록 사용될 수 있다. 코폼 웨브는 일반적으로 열가소성 섬유의 안정화된 매트릭스와 제2 비-열가소성 재료의 혼합물을 포함하는 복합 재료를 지칭한다. 예를 들어, 코폼 재료는, 적어도 하나의 멜트 블로운 다이 헤드가 슈트(chute) 부근에 배치되고, 웨브가 형성되는 동안 이 슈트를 통해 다른 재료가 웨브에 첨가되는 공정에 의해 제조될 수 있다. 다른 재료는 전도성 섬유를 단독으로 또는 다른 섬유와 조합하여 포함할 수 있다. 전도성 섬유와 조합될 수 있는 다른 섬유는 예를 들어 펄프 섬유, 면 섬유, 레이온 섬유, 합성 스테이플 섬유 등을 포함한다. 코폼 재료의 몇몇 예가 모두 본 명세서에 참고로 포함되는 앤더슨에게 허여된 미국 특허 제4,100,324호; 에버하트에게 허여된 미국 특허 제5,284,703호 및 게오르거(Georger)에게 허여된 미국 특허 제5,350,624호에 개시된다.
코폼 공정에 의해 생산되는 웨브는 일반적으로 코폼 재료로 지칭된다. 보다 상세하게는, 코폼 부직포 웨브를 생산하기 위한 한가지 공정은 용융 중합체 재료를 다이 헤드를 통해 미세 스트림으로 압출시키는 단계 및 노즐로부터 공급되는 고속의 가열된 가스의 유동을 수렴시킴으로써 스트림을 감쇠시켜 중합체 스트림을 작은 직경의 불연속적 마이크로 섬유로 파단시키는 단계를 포함한다. 다이 헤드는 예를 들어 적어도 하나의 곧은 압출 개구 열을 포함할 수 있다. 일반적으로, 마이크로 섬유는 최대 약 10 마이크로미터의 평균 섬유 직경을 가질 수 있다. 마이크로 섬유의 평균 직경은 대체로 약 1 마이크로미터 초과, 예컨대 약 2 마이크로미터 내지 약 5 마이크로미터일 수 있다. 마이크로 섬유는 주로 불연속적이지만, 그들은 일반적으로 보통 스테이플 섬유와 관련되는 길이를 초과하는 길이를 갖는다.
용융 중합체 섬유를 전도성 섬유 및/또는 펄프 섬유와 같은 다른 재료와 조합하기 위해서, 1차 가스 스트림이 개별화된 전도성 섬유를 함유하는 2차 가스 스트림과 병합된다. 따라서, 전도성 섬유는 단일 단계로 중합체 섬유와 일체화되어진다. 일체화된 공기 스트림은 이어서 성형 직물 상으로 보내어져 부직포 직물을 형성한다. 원한다면, 직물은 2개의 상이한 재료를 더욱 일체화시키기 위해 한 쌍의 진공 롤의 닙 내로 이송될 수 있다.
코폼 웨브를 형성할 때, 전도성 섬유 및/또는 다른 섬유는 코폼 재료 내에 약 10 중량% 내지 약 80 중량%, 예컨대 약 30 중량% 내지 약 70 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
일 태양에서, 전도성 섬유는 별개의 전도도 구역들을 형성하도록 부직포 웨브 내에 함유될 수 있다. 예를 들어, 일 태양에서, 섬유들을 수직으로 분리시키는 것 대신에 또는 그에 추가하여 헤드 박스가 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 헤드 박스는 또한 섬유들을 수평으로 분리시키도록 구성될 수 있다. 이 방식으로, 전도성 섬유가 단지 웨브의 길이(기계 방향)를 따라 소정 구역에만 함유될 수 있다. 전도성 구역은 단지 펄프 섬유와 같은 비-전도성 재료만을 함유하는 비-전도성 구역에 의해 분리될 수 있다.
본 발명에 따르면, 일단 전도성 부직포 재료가 형성되면, 재료에 초음파 에너지를 인가함으로써 비-전도성 구역이 생성된다. 재료에 초음파 에너지를 인가하는 것은 비-전도성 구역을 형성하는 것 외에, 또한 부직포 재료의 구성 및 재료에 인가되는 초음파 에너지의 양을 비롯한 다양한 요인에 따라 접합선(bond line)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조되는 전도성 부직포 웨브(152)가 도시된다. 이 태양에서, 비-전도성 구역 또는 접합선(266, 268)이 웨브 내에 길이 방향으로 형성되었다. 접합선(266, 268)은 초음파 접합을 사용하여 형성된다. 부직포 웨브 내에 접합선을 형성하는 것은 전도성 섬유가 더 이상 전류를 전달하기 위한 망상조직을 형성할 수 없는 영역을 생성한다. 따라서, 접합선은 베이스 웨브 내에 비전도성 구역을 형성한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 접합선(266, 268)은 개별 전도성 구역(260, 262, 264)을 형성할 수 있다.
개시된 기술에 따라 제조되는 제품은 처리 및 첨가제 기술을 통해 가요성 회로를 생성하도록 사용될 수 있다. 가요성 회로는, 일회용일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 인쇄 전자소자의 성장하는 시장 내로의 진입을 가능하게 한다. 종래의 가요성 전자소자는 인쇄 회로 내에 전도성 경로를 생성하기 위해 금속 또는 탄소 잉크를 사용한다. 금속 잉크는 매우 고가이고, 특별한 취급을 필요로 하며, 흔히 적응을 위해 프린터에 맞춘 조절을 필요로 한다. 또한, 인쇄 전자소자 실현이 정말로 일회용으로 간주되기에 충분하게 비용 효율적일지에 대해 비용 및 처리량에 관한 우려가 있다. 개시된 기술은 현재의 가요성 전자소자 기술과 비교시 비용 효율적이고 더욱 쉽게 취급되는 뚜렷한 이점을 제공한다. 이 공정의 최종 제품은, 강성 기재에 부착 또는 인가될 수 있고 인쇄 또는 복합 전기 구성요소들이 기능적인 비용 효율적 일회용 전기 회로를 생성하기 위해 연결되도록 하는 전도성 경로를 구비하는 웨브를 생성한다.
전도성 웨브로부터 회로를 생성하기 위해, 탄소-탄소 섬유간 결합의 일부를 파단, 제거 또는 변경시키고 더욱 높은 저항의 영역을 전도성 웨브 내에 생성하는 것이 필수적이다. 이는 처리 중 웨브에 인가되는 초음파 또는 압력 접합에 의해 달성될 수 있다. 접합 기술은 본 산업에 잘 알려져 있으며, 회로를 규정하는 더 크거나 더 작은 저항의 특정 경로를 생성하도록 다수의 패턴으로 구성될 수 있다. 이 회로 경로는 고속 및 고효율로 처리될 수 있어, 다양한 건강 및 위생 제품 또는 다른 소비자 제품에 저비용의 일회용 회로를 생산할 수 있게 한다. 인가시 접합의 압력 또는 세기와 접합의 폭은 저항 증가의 정도를 결정할 수 있다. 접합 공정에 의해 영향받지 않은 영역이 동일한 전도성 수준으로 남겨진다. 이러한 유형의 처리는 부직포 재료 내에 통합되는 고처리량 회로를 생성하기 위해 현재의 산업 사용에 맞게 쉽게 개조될 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어, 초음파 회전 접합기가 부직포 재료 내에 비-전도성 영역을 형성하도록 사용될 수 있다. 회전 접합기는 예를 들어 고주파 전기 에너지를 고주파 기계 에너지로 변환시키는 컨버터에 연결되는 전력 공급장치를 포함할 수 있다. 컨버터는 기계 에너지의 진폭을 변경시키는 부스터(booster)에 연결될 수 있다. 이어서, 부스터는 진폭을 미세 조정하여 그를 부직포 재료에 인가하는 회전 혼과 연통된다. 일 실시예에서, 초음파 장치는 약 20 kHz 내지 약 40 kHz의 주파수로 작동될 수 있다.
부직포 재료에 인가되는 초음파 에너지는 전도성 섬유를 분쇄하여 전기 불연속성을 생성한다. 예를 들어, 비-전도성 구역 내의 저항은 전도성 구역의 저항보다 4배 클 수 있다. 예를 들어, 저항은 전도성 구역 내의 저항보다 5배, 6배, 또는 심지어 최대 10배 클 수 있다.
특별한 이점은, 초음파 장치가 부직포 재료 내에 패턴을 생성할 수 있다는 점이다. 이 패턴은 비-전도성 구역으로 형성되고, 단겹 내에 또는 재료의 다겹들 사이에 회로 패턴 또는 연결부를 설계 또는 생성하도록 사용될 수 있다.
전도성 부직포 재료 내에 형성되는 비-전도성 구역은 특정 응용 및 원하는 결과에 따라 변할 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 평탄한 패턴이 부직포 웨브 내에 형성될 수 있다. 대안적으로, 불연속적 도트 패턴이 사용될 수 있다.
초음파 에너지는 부직포 웨브 내에 함유되는 재료에 상이한 영향을 준다. 전술된 바와 같이, 예를 들어, 초음파 에너지는 탄소 섬유를 파단 및 분쇄하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 초음파 에너지가 인가되는 셀룰로오스 섬유는 평탄해지려는 경향이 있고, 비-전도성 구역 내의 수소 결합을 증가시킬 수 있다. 반면에, 합성 섬유는 초음파 에너지가 인가될 때 용융되고 다른 기재에 접합될 수 있다.
일 실시예에서, 부직포 전도성 웨브가 상당한 양의 펄프 섬유를 함유하는 종이 웨브를 포함할 때, 부직포 웨브는 전체 재료의 강도를 증가시키기 위해 다른 웨브와 조합될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전도성 웨브는 멜트블로운 웨브, 스펀본드 웨브 등과 같은 합성 웨브에 라미네이트될 수 있다. 두 층은 예를 들어 초음파 에너지를 사용하여 함께 부착될 수 있다. 이 방식으로, 초음파 에너지는 전도성 웨브 내에 비-전도성 구역을 형성할 뿐만 아니라 두 웨브를 함께 접합시키는 역할도 한다.
대안적인 실시예에서, 전도성 부직포 웨브는 상당한 양의 합성 섬유를 함유하는 웨브를 포함할 수 있다. 웨브는 예를 들어 수류교락된 웨브, 코폼 웨브, 또는 스테이플 열가소성 섬유로 제조된 웨트 레이드 웨브를 포함할 수 있다. 몇몇 응용에서, 함께 부착되는 다수의 전도성 웨브를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 초음파 에너지는 웨브의 각각 내에 비-전도성 구역을 형성하도록 사용될 수 있다. 또한, 초음파 에너지는 웨브들을 함께 접합시키도록 사용될 수 있다. 한가지 특정 응용에서, 예를 들어, 초음파 에너지는 두 대향 전도성 웨브 내에 비-전도성 구역을 동시에 형성시키도록, 그리고 비-전도성 구역이 형성되는 곳에서 웨브들을 함께 접합시키도록 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 공정 중 두 웨브 사이에 전기 연결이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 웨브는 섬유 교락이 일어날 수 있는 비-전도성 구역에 인접하여 함께 전기적으로 연결되어질 수 있다. 실제로, 초음파 에너지가 인가되는 동안, 각각의 웨브 내의 전도성 섬유는 웨브의 표면으로 이동할 수 있다. 이 방식으로, 전도성 섬유는 섬유가 분해되었거나 달리 분쇄되었던 비-전도성 구역에 인접한 영역에서 두 층 사이의 섬유간 연결을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 초음파 에너지는 또한 비-전도성 구역을 생성하지 않고서, 두 웨브를 함께 연결시키고 웨브 사이에 전기 연결을 생성하도록 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 예를 들어, 웨브는 보다 적은 양의 에너지를 인가받아, 전도성 섬유가 파괴되어 웨브 내에 전기 불연속을 형성하는 것을 방지할 수 있다.
초음파 에너지의 사용 외에, 다양한 다른 방법이 비-전도성 구역을 형성하는 데 이용가능하다. 그러한 다른 기술 및 방법은 초음파 에너지의 사용과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 회로 경로를 생성하는 다른 방법은 높은 저항이 요구되는 영역에서 전도성 티슈를 절단 또는 제거하기 위해 전도성 티슈 또는 재료를 플렉스 나이프(flex knife) 및 다이 커팅하는 것과 같은 기계적 방법을 포함한다. 이는 본질적으로 표준 공정 기술을 사용하여 회로 패턴을 절제하는 것이다. 기계적 절단, 압력 접합 및 초음파 접합 기술은 모두 회로 패턴을 가장 효율적으로 생산하도록 함께 사용될 수 있고, 회전 또는 플런지 기계 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 또한, 다른 방법은 가열된 롤 위에 있는 동안 전도성 티슈를 슬롯 코팅하는 것을 포함할 수 있다. 열은 땜납이 스웨티드(sweated) 파이프 조인트 내로 끌어당겨지는 것과 아주 유사하게 중합체를 롤을 향해 전도성 웨브 내로 끌어당긴다. 다른 선택적인 방법은 중합체를 웨브 상에 표면 코팅하는 것, 또는 본 기술 분야의 당업자에 의해 사용되는 많은 다른 핫 멜트 코팅 기술을 사용하는 것이다. 필요하다면, 가열된 닙이 또한 사용될 수 있다. 최적의 코팅 기술은 중합체 선택과 다양한 공정 속도 및 제한에 의존한다.
일단 전도성 부직포 웨브가 비-전도성 구역을 포함하도록 형성되고 처리되면, 제품은 다수의 전자 장치에 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 멤브레인 스위치와 같은 전자 스위치가 구성될 수 있다. 스위치는 버튼 또는 키패드 인터페이스를 필요로 하는 소비자 제품(즉, 키보드, 휴대 전화 등)에서 가장 일반적인 전기 구성요소 중 하나이다. 이 기술이 착용형 컴퓨팅 플랫폼, 또는 스마트 인터페이스를 필요로 하는 응용(즉, 패키징, 광고 및 판촉)으로 옮겨짐에 따라, 이들 스위치의 제조 시간 및 비용을 줄이는 수단을 생성하는 것이 유리할 것이다. 인쇄 전도체를 위한 기초로서 강성 기재(즉, 플라스틱)가 요구되고, 전도성 잉크의 비용이 비교적 고가이기 때문에, 많은 응용은 일회용 및 반내구성의 경계에 놓인다. 적어도 5% 탄소 섬유로 제조되는 전도성 웨브가 기능적 멤브레인 스위치에 필요한 회로 패턴을 생성하는 데 보다 적은 취급을 필요로 하는 저비용의 대안적인 전도성 재료인 것으로 판명되었으며, 이는 완전한 일회용 제품을 산출한다.
현재의 멤브레인 스위치 기술은 외부 밀봉층, 전도체, 유전체, 전도체 및 외부층의 5층 시스템을 사용한다. 유사한 방식으로, 전도성 웨브가 사용될 수 있되, 5층 또는 3층 시스템으로 사용될 수 있다. 5층 시스템은 더욱 강성의 스위치를 필요로 하지만, 3층 시스템의 경우에, 종이가 단일 유전체에 의해 분리되는 전도체들뿐만 아니라 두 외부층으로서의 역할을 할 수 있다.
도 15a를 보면, 예를 들어, 본 발명에 따라 제조되는 5층 스위치(110)의 일 실시예가 도시된다. 도시된 바와 같이, 스위치(110)는 두 외부 보호층, 즉 외부 커버층(112) 및 백킹층(114)을 포함한다. 외부 커버층(112)과 백킹층(114) 사이에, 한 쌍의 대향 전도성 층(116, 118)이 있다. 전도성 층 둘다는 본 발명에 따라 제조되는 부직포 전도성 웨브를 포함할 수 있다. 전도성 층(116, 118) 사이에, 유전체 재료로 구성될 수 있는 비-전도성 층(120)이 있다. 도시된 바와 같이, 비-전도성 층(120)은 개구(122)를 포함한다. 이 방식으로, 압력이 스위치(110)의 외부 커버(112)에 인가될 때, 제1 전도성 층(116)이 제2 전도성 층(118)과 접촉하여, 두 층 사이에 전기 연결을 형성한다.
본 발명에 따르면, 전도성 부직포 재료(116 및/또는 118)는 전도성 층에 초음파 에너지를 인가함으로써 생성되는 비-전도성 구역을 또한 포함할 수 있다. 비-전도성 구역은 전기 에너지를 특정 위치로 전달하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 비-전도성 구역은 압력이 스위치에 인가될 때 작동되는 전자 장치에 스위치를 부착시키기 위한 회로를 형성하도록 사용될 수 있다.
도 15b를 보면, 본 발명에 따라 제조되는 3층 스위치(110)가 도시된다. 동일한 도면 부호가 유사한 요소를 가리키도록 사용되었다. 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 스위치(110)는 개구(12)를 형성하는 비-전도성 층(120)에 의해 분리되는 두 대향 전도성 층(116, 118)을 포함한다. 도 15b에 도시된 실시예에서, 전도성 웨브(116, 118)는 스위치의 작동시 전기 연결을 이루는 역할을 할 뿐만 아니라, 외부 커버층의 역할도 한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 전도성 부직포 웨브들 중 하나 또는 둘다에 직접 그래픽 또는 인쇄물이 인가될 수 있다. 이 방식으로, 다수의 전자 장치와 함께 사용되는 비교적 저렴한 스위치가 생산될 수 있다.
도 16, 도 17 및 도 18을 보면, 또한 본 발명에 따라 구성될 수 있는 키보드(130)의 일 실시예가 도시된다. 키보드(또는 키패드)(130)는 도 15a 및 도 15b에 도시된 스위치(10)와 유사하게 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 동일한 도면 부호가 유사한 요소를 가리키도록 사용되었다.
도 16에, 예를 들어, 5층 키보드(130)가 도시된다. 키보드(130)는 유전체 재료로부터 제조될 수 있는 비-전도성 층(120)에 의해 분리되는, 본 발명에 따라 제조되는 2개의 전도성 부직포 웨브 층(116, 118)을 포함한다. 비-전도성 층(120)은 키보드(130)의 외부 커버(112) 상에 나타나는 복수의 키이(124)에 위치가 대응하는 복수의 개구(122)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 각각의 전도성 부직포 재료는 상이한 키이가 눌려질 때 전기 경로의 형성을 가능하게 하는 복수의 비-전도성 구역을 또한 포함한다. 예를 들어, 전도성 부직포 웨브(116)는 초음파 에너지를 사용하여 형성될 수 있는 복수의 수직 비-전도성 구역(126)을 포함한다. 유사하게, 부직포 전도성 웨브(118)는 복수의 수평 비-전도성 구역(128)을 포함한다. 이 방식으로, 키이(124) 중 하나가 눌려질 때, 두 전도성 웨브 사이에 전기 연결이 이루어지고, 비-전도성 구역은 2개의 상이한 전기 경로가 눌려진 키이를 식별하기 위해 활성화되어질 수 있게 한다.
도 17에, 2개의 분리된 전도성 웨브 층이 키패드 우측과 상단에서 돌출되어 있는 일회용 키패드(130)의 프로토타입이 도시된다. 도 18은 기존 키보드 회로에 연결된 일회용 키패드(130)를 도시한다.
키보드 및 마우스는 지속적으로 감염의 한 원인이 되는 멸균 수술실의 한 부분이다. 병원에 사용되는 항균성 일회용 키보드/키패드가 병원 감염의 가능성을 감소시킬 수 있다. 현재의 키보드 설계는 모두 사용자 인터페이스의 각각의 버튼의 기능을 제어하는 데 강성 전자소자를 필요로 하지만; 전자소자를 대체하도록 전도성 웨브를 사용함으로써, 비용이 일회용의 수준으로 낮아진다.
추가적인 예시적 목적을 위해, 일회용 스위치는 사용자 인터페이스를 구비한 일회용 가운을 생성하도록 사용될 수 있다. 임의의 일회용 가운(수술, 무균실, 위험 작업 등)은 착용자에게 유용한 기능을 생성하도록 전도성 웨브를 사용하는 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수술 가운은 의료 시술 중 사용되는 도구의 심볼을 포함할 수 있다. 스위치 인터페이스는 장치가 사용될 때를, 그리고 장치가 환자로부터 제거되었는지의 여부를 지시하도록 사용될 수 있다. 장치의 출력은 디스플레이 상에 상태를 표시하는 유선 또는 무선 장치로 향할 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 전자 장치가 의류 물품 내에 통합되는 경우에, 전도성 부직포 재료는 의류 물품에 부착될 수 있거나, 또는 의류 물품 내에 직접 통합될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전도성 웨브 그 자체가 의류 물품을 구성하도록 사용될 수 있고, 초음파 처리된 영역이 임의의 원하는 목적을 위해 의류 내에 전기 회로를 형성하도록 사용될 수 있다. 한가지 특정 응용에서, 예를 들어, 의류 물품은 습윤 감지 장치를 포함하는 기저귀 또는 트레이닝 팬츠와 같은 흡수 용품을 포함할 수 있다.
추가적인 예시적 목적을 위해, 개시된 기술에 따라 제조되는 제품은 온열 치료 및 다른 저비용 온열 응용에 휴대용 장치로서 사용되도록 제조되는 발열 요소일 수 있다. 온열 치료는 통증, 특히 근육 긴장 또는 경련의 통증을 줄인다. 또한, 다른 유형의 통증을 갖는 환자가 이익을 얻을 수 있다. 온열 치료는 다음과 같이 작용한다: (1) 피부로의 혈류를 증가시킨다. (2) 혈관을 팽창시켜, 국소 조직으로의 산소 및 영양소 전달을 증가시킨다. (3) 근육 탄력성을 증가시켜 관절 경직도를 감소시킨다. 휴대용 장치는 일회용 발열 요소, 재사용가능 배터리 작동식 제어 유닛, 및 일회용 발열 패드를 유닛에 연결시키는 기계적 및 전기적 수단을 포함한다.
본 발명에 따라 발열 제품을 설계할 때, 초음파 에너지가 적절한 저항을 갖는 발열 요소를 형상 및 형상화시키도록 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 발열 요소를 전력 공급장치에 전기적으로 연결시키는 회로를 생성 및 생산하도록 사용될 수 있다.
적어도 약 5% 탄소 섬유, 예컨대 적어도 약 20% 탄소 섬유로 제조되는 전도성 웨브의 개시된 기술을 사용하여 발열 요소를 구성하는 것은 발열 화학 반응을 사용하는 현재 구매가능한 제품에 비해 많은 이점을 제공한다. 본 발명의 휴대용 발열 장치의 이점은 다음과 같다: (1) 일회용 발열 요소는 화학적으로 활성화된 제품에 비해, 개시된 기술을 사용하여 저렴하게 제조될 수 있다. (2) 발열량을 조절하기 위한 조정가능한 제어. (3) 배터리는 재충전가능하거나 교체될 수 있다. (4) 신체 대향측의 반사 재료가 열 효율을 증가시킨다. (5) 퓨즈 링크가 과열로부터 착용자를 보호한다.
또한, 폴리필름 및 부직포 재료로 라미네이트된 전도성 부직포 발열 요소를 사용하는 것은 휴대용 발열 장치를 저렴하게 하고, 다양한 크기 및 형상에 쉽게 맞추어지게 한다. 이는 온열 치료에 사용될 수 있거나, 또는 그것은 악천후 또는 추운 날씨 조건에서 사람 또는 동물에게 열을 제공하도록 사용될 수 있다. 그러한 맞춤형 제품은 팔, 다리, 몸통, 목, 담요에 맞게 설계될 수 있고, 심지어 말, 소, 토끼, 각종 파충류, 개 및 고양이와 같은 동물에 사용될 수 있다. 이 기술은 다이버용 건식 잠수복, 해난 사고용 구조복과 같은 극한 환경 또는 극도로 추운 환경에서의 차량 고장과 같은 다른 극도로 추운 조건에 사용될 수 있다. 이 개념은 심지어 가정용, 건강 관리용, 또는 호텔용 일회용 발열 욕조 타월로서 사용될 수 있다. 이 기술은 코트, 스키복 또는 다른 의류를 위한 일회용 발열 라이너에 사용될 수 있다. 전도성 부직포 발열체는 보다 낮은 전체 저항 및 보다 높은 열질량을 갖는 발열체를 형성하기 위해 수 개의 전도성 종이 층으로 구성될 수 있다. 또한, 음료 용기와 같은 일반적 품목을 따뜻하게 하기 위한 다른 저비용 온열 응용이 효과적이다. 사용자는 이들 실시예 중 임의의 것에 반내구성인 또는 재사용가능한 파워 팩(power pack)을 클립 고정시켜, 제품을 사용할 수 있다.
배터리는 발열 요소에 전력을 공급하는 데 필요한 높은 전류 소요량으로 인해 이상적으로는 재충전가능하다. 전력 방정식의 기본적인 검토는 발열 요소의 기능을 최적화시키기 위한 전류, 전압 및 저항 요건을 지시한다. 배터리의 이상적인 응용은 제조 중 더욱 많은 취급을 필요로 할 수 있는 임의의 고가의 소형 커넥터를 최소로 구비한다. 대신에, 전도성 후크 재료로 싸여진 재충전가능한 배터리 팩을 사용하는 것이 추천되며, 이때 발열 요소는 상대 루프 재료를 구비한다. 전도성 후크 및 루프의 보다 큰 표면적은 발열 요소로의 전력 공급장치의 보다 낮은 연결 저항을 보장한다.
도 14a 및 도 14b에, 발열 요소의 일 실시예가 더욱 상세히 도시된다. 내부에서, 발열 요소는 도 14a에 도시된 바와 같이 두 단자(102, 104)에서 전력 공급장치에 부착되는 전도성 웨브(100)의 권선 코일일 수 있다. 이러한 코일 설계의 이유는 패드 전반에 걸쳐 발열 작용을 집중 및 분산시키는 것이다.
도 14b에 도시된 바와 같이, 두 단자(102, 104)는 전력 공급장치(106)와 정합되는 부착 영역을 포함할 수 있다. 원한다면, 단자(102, 104)를 포함하는 부착 영역은 전력 공급장치의 용이한 배치를 위해 전력 공급장치(106)와 정합되도록 라벨 부착될 수 있다.
발열 장치를 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이 구성할 때, 부직포 웨브(100)로의 초음파 에너지의 인가는 몇몇 상이한 기능을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 요소 내의 저항을 증가시키도록 전기 발열 요소를 생산하기 위해 적은 양의 초음파 에너지가 사용될 수 있다. 저항을 증가시키는 것은 발열 요소가 더욱 빠르게 발열하게 할 수 있다.
또한, 초음파 에너지는 전력 공급장치로의 부착을 위해 회로를 생성하기 위한 비-전도성 영역을 웨브 내에 형성하도록 또한 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 개시된 기술에 따라 제조되는 제품이 방사 요소(radiating element)로서 사용될 수 있다. 방사 요소는 저비용 데이터 전송 시스템을 가능하게 하는 간단한 반파장 다이폴 안테나(dipole antenna)로서의 역할을 할 수 있다. 다른 응용에서, 방사 요소는 도 4에 도시된 특유한 저비용 RFID 태그를 구성하도록 사용될 수 있다. 또한, 방사 요소는 사용자 특정(user-specific) 데이터 전송을 위해 전술된 바와 같이 스마트 의류 내에 통합될 수 있다. 전도성 웨브는 방사 요소로서 사용될 때 종래의 방사 요소로서 사용되는 현재의 전기 전도체와 비교하여 동등하게 전기적 특성을 제공한다. 또한, 개시된 기술은 생산하기에 상당히 더 저렴하며, 이는 종래의 방사 요소를 전도성 웨브 요소로 대체함으로써 현재 제품의 전체 제조 비용의 절감으로 이어진다.
개시된 기술을 종이, 부직포 또는 합성물과 같은 주어진 기재 내에 통합시키는 다수의 방식이 존재한다. 핵심은 방사 요소로서 기능하게 하는 데 필요한 전도성 웨브의 적절한 형상/길이를 생성하는 것이다. 예를 들어, 전도성 재료의 적절한 크기 및 형상은 전술된 바와 같이 초음파 접합 기술을 사용하여 웨브로부터 깎아낼 수 있다. 도 5를 보면, 이 도구는 취성 전도성 섬유 재료를 파단시키기에 충분한 에너지를 웨브 내에 제공하지만 기재는 남겨 둔다. 이 방식으로, 본 발명에 따라 제조된 전도성 부직포 웨브에 초음파 접합 장치를 작용시킴으로써, 면밀하게 제어된 크기 및 형상을 갖는 방사 요소가 고속으로 생산될 수 있다.
또한, 전도성 재료의 스트립을 기재 내에 "구역 설정(zoning)"하는 것이 필요로 하는 적절한 형상/길이를 생성한다. 이는 습식 공정을 사용하여 재료를 접합함으로써 달성될 수 있다. 개시된 기술은 습윤시 그 강도를 유지시키는 것으로 알려져 있다. 재료는 성형 및 압착 공정 중 기재와 수소 결합을 형성하고, 결과적으로 건조시 그에 부착된다.
도 7에서는, 신호 발생기로의 연결에 필요한 기존 안테나 기부에 부착되는 전도성 부직포 재료의 2개의 동일한 스트립을 사용하여 반파장 다이폴 안테나의 프로토타입이 구성되었다. 전도성 재료의 형상 및 크기가 중요할 수 있고, 작동 주파수 대역에 적합하게 선택될 필요가 있다. 전술된 바와 같이, 초음파 에너지는 안테나의 크기 및 형상을 고속 공정으로 면밀하게 제어하도록 사용될 수 있다. 이 경우에, 다이폴 안테나는 915 MHz(902-928 MHz ISM 대역의 중심 주파수)에서 방사하도록 적절하게 설계되었다. 915 MHz에서의 반파장 다이폴 안테나의 유효 길이는 164 mm이다. 전도성 재료 반파장 다이폴 안테나의 방사 전력을 측정하기 위해 간단한 시험이 수행되었다. 이 시험 장비(setup)는 도 8에 도시된 바와 같이, 안테나로부터 900 MHz에서 10 dBm 신호를 전송하도록 사용된 신호 발생기를 포함한다. 스펙트럼 분석기에 연결된 900 MHz의 보정된 안테나가 전도성 웨브 안테나로부터 1 m 떨어져 배치된 때 수신된 신호를 측정하도록 사용되었다. 보정된 안테나에 수신된 전력은 -29.5 dBm으로 측정되어, 기능성을 보였다. 900 MHz의 표준 보정된 다이폴 안테나와 비교할 때, 결과들은 유사하였다.
도 10에서, 기존 RFID 칩에 부착되는 전도성 재료의 2개의 동일한 스트립이 기능 UHF RFID 태그를 생성한다. 전술된 실험이 한 단계 진행되었고, 전도성 웨브를 사용하여 구성된 RFID 태그의 감도가 시험되었다. 이 전도성 웨브 RFID 태그의 감도는 RFID 태그로부터 정확히 1 미터 떨어져 배치된 RFID 리더 안테나에 응답하는 데 RFID 태그에 의해 요구되는 최소 전력을 모니터링함으로써 측정되었다. 전도성 웨브 RFID 태그의 감도는 -5.1 dBm으로 추정되었다. 이는 구매가능한 RFID 태그와 유사하다. 개시된 기술의 전도성 특성은 안테나의 방사 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 도 9를 보면, 재료의 전도도는 재료가 UHF RFID 태그로서 효과적으로 사용되게 하기 위해서는 약 1000 S/m일 필요가 있다. 이는 25-30% 전도성 재료를 웨브 내에 통합시킴으로써 효과적으로 달성될 수 있다. 이 RFID 태그의 방사 패턴이 도 10에 도시된다. 이 특정 RFID 태그 설계의 적합한 치수는 144 mm 길이 및 8 mm 폭이다.
개시된 기술을 방사 요소로서 사용하고 그를 스마트 직물 내에 통합시킴으로써, 직물로부터 외부 수신기로의 데이터 전송이 가능하다. 전술된 바와 같이, 그러한 스마트 직물은 동등하게 사람 및 동물의 측정된 생리적 데이터를 전송하기 위한 스마트 의류를 생성할 수 있다. 예를 들어, 사람이 착용한 스마트 셔츠는 사용자의 심박수, 체온 등을 외부 수신기로 전송할 수 있다. 방사 요소에 전도성 웨브를 사용함으로써, 안테나가 가요성 직물인 이점을 가져 임의의 사용자에 대한 편안한 맞춤을 가능하게 할 뿐만 아니라, 또한 재료가 저렴하면서도 내구성을 가져 그러한 응용이 상업성을 갖도록 한다. 또한, 본 발명의 전도성 웨브는 방사 요소에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 또한 RFID 장치 내에 직접 통합될 수 있는 전기 회로를 포함하도록 구성될 수 있다. 전기 회로는 비-전도성 구역을 형성하도록 초음파 에너지를 사용하여 형성될 수 있다. 전기 회로는 방사 요소에 사용되는 동일한 전도성 웨브의 일부일 수 있거나, 또는 별도의 재료를 포함할 수 있다. 이 방식으로, 전자 장치는 의류 물품 내에 더욱 쉽게 통합될 수 있다.
개시된 기술을 소정 주파수에서 방사되는 전자기 에너지(EMI)에 대한 장벽으로서 사용하는 특유한 응용이 개발되었다. 이 제품은 일회용일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. EMI 차폐 요소는 구매가능한 벽지와 일체화될 수 있다. 또한, 차폐 요소는 듀폰(Dupont)의 타이벡(Tyvek) 홈랩(home-wrap)과 같은 빌딩 단열 재료 내에 통합될 수 있다. 차폐 요소는 방사선 보호에 효과적인 의복을 생성하도록 사용될 수 있다. 기능을 보장하기 위해, 보호될 특정 유형의 신호에 적합한 차폐 요소가 개발되어야 하며; 결과적으로 현재의 EMI 차폐 기술은 고가의 개발 및 제조 공정을 필요로 한다. 개시된 기술은 현재의 EMI 차폐 기술과는 달리, 특정 신호에 맞게 저비용 및 큰 부피로 제조될 수 있는 특유의 응용을 제공한다.
도 11을 보면, 응용의 실증을 위해, 차폐 요소의 유효성에 대한 개발된 시험의 장비가 도시된다. 이 시험 장비는 2개의 보정된 다이폴 안테나로 구성되었으며, 이 중 하나는 수신기로서 사용되었고, 다른 하나는 송신기로서 사용되었다. 송신기 안테나는 900 MHz 및 10 dBm으로 설정된 신호 발생기에 연결되었다. 수신기 안테나는 송신기로부터 1 미터 떨어져 배치되었다. 시험은 우선 두 안테나 사이에 EMI 차폐 요소를 배치하지 않고서 수행된 다음에, 차폐 요소를 적소에 배치한 상태로 다시 한번 수행되었다. 전도성 웨브는 벽에 전기적으로 접지되어, 송신된 신호로부터 수신기를 차폐시켰다. 도 12 및 도 13에, 각각 EMI 차폐 요소가 없는 상태 및 EMI 차폐 요소를 구비한 상태에서 수신기 안테나에서 측정된 전력이 도시된다. 20 dB의 신호 감소가 있었으며, 이는 이전보다 1000배 낮은 것에 상당한다. 따라서, 이 간단한 실험은 개시된 기술이 EMI 차폐물로서 사용될 수 있음을 보여주었다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 전도성 부직포 재료는 스마트 패키징 요소를 생산하도록 사용될 수 있다.
스마트 패키징 요소는 소포(parcel)의 상태 및 취급 전반에 걸친 처리를 모니터하는 데 사용될 수 있다. 다른 응용에서, 스마트 패키징 요소는 RFID 안테나 기능을 위해 사용될, 골판지와 같은 패키징 재료 내에 통합될 수 있다. 전도성 웨브는, 패키징할 때 이전에는 완료하기에 불가능하였거나 매우 비용 집약적이었던 여러 가능성을 제공한다. 대부분의 스마트 패키징 요소는 식음료 산업에서 배송 상품의 신선도를 보장하기 위해 구현된다. 그러나, 현재의 스마트 패키징 요소는 비용 집약적이고 대규모로는 실용적이지 못하다. 스마트 패키징 요소에 전도성 웨브를 사용하는 것은 그의 용이한 사용 및 아주 낮은 비용으로 인해 스마트 패키징의 몇몇 응용에 대규모로의 실현 가능성을 제공할 수 있다.
개시된 기술에 따라 제조되는 스마트 패키징 요소는 취급 전반에 걸쳐 물체의 여러 상태를 모니터하도록 개발될 수 있다. 예를 들어, 보관 중, 전도성 웨브는 잠재적으로 제품의 기능 또는 패키징 그 자체의 구조 건전성을 저해할 수 있는 과도한 습기와 물체가 접촉하였는지를 결정하도록 사용될 수 있다. 또한, 전도성 웨브는 소정 일자 전에 패키지의 내용물에 접근하지 않은 것을 보장하기 위해 패키지 상에 보호 시일을 생성하도록 사용될 수 있다. 현재의 기술은 패키지의 안전을 보장하기 위해 특수한 접착 테이프를 구현하지만, RFID와 같은 기술과의 통합에 의해, 전도성 웨브는 어느 특정 패키지가 개봉되었는지, 그리고 언제 개봉되었는지를 화물의 소유자에게 경고할 수 있다. 그러한 기술은 대규모 발매 전 제품을 배송할 때 유익할 수 있다.
전도성 웨브 기술을 패키지의 주름형 재료 내에 통합시킴으로써, 그것은 기존 RFID 태그에 연결된 때 극히 강성의 안테나로서 사용될 수 있다. 전도성 웨브를 주름형 재료 내에 일체화시키는 것은 RFID 기반 패키지를 생성하는 공정을 단순화시킨다. 현재, 현존하는 RFID 태그는 자체 안테나를 구비하여야 하며, 이는 태그의 크기 및 생산 비용을 증가시킨다. 안테나로서의 역할을 하는 주름형 재료 내에 일체화되는 전도성 웨브에 의하면, RFID 태그는 자체 안테나를 포함하지 않고 단지 전도성 웨브에 연결되어 기능성 RFID 태그를 생성함으로써 단순화될 수 있다. 개시된 기술의 사용은 현재 RFID 기술에 비해 생산 시간, 공정, 및 비용을 감소시킨다. 또한, 적어도 3% 탄소 섬유를 함유하는 전도성 웨브를 사용함으로써, 일체화된 주름형 재료는 전자 장치의 배송시 정전기 축적을 방전시키도록 사용될 수 있다.
본 발명에 대한 이들 및 다른 변경 및 변형이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서 본 기술 분야의 당업자에 의해 실시될 수 있으며, 이는 첨부 특허청구범위에 더욱 상세히 기술된다. 또한, 본 발명의 다양한 태양의 양상들은 전체적으로 또는 부분적으로 서로 교환될 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 또한, 본 기술 분야의 당업자는 전술된 설명이 단지 예시적인 것이고, 첨부 특허청구범위에 추가로 기술되는 바와 같은 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않음을 명확하게 인식할 것이다.

Claims (19)

  1. 제1 섬유 및 제2 섬유를 조합하여 포함하는 전도성 부직포 웨브로서, 제1 섬유는 전도성 섬유를 포함하고, 전도성 섬유는 탄소 섬유를 포함하며, 제2 섬유는 펄프 섬유, 합성 섬유, 또는 이의 혼합물을 포함하고, 전도성 섬유는 부직포 웨브 내에 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 양으로 존재하는, 전도성 부직포 웨브
    를 포함하고, 이때 전도성 부직포 웨브는 전도성 구역 및 비-전도성 구역을 포함하고, 비-전도성 구역은 초음파 처리된 영역을 포함하는 전도성 재료.
  2. 제1항에 있어서, 비-전도성 구역은 전도성 구역의 저항보다 적어도 4배 큰 저항을 갖는 전도성 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 섬유는 펄프 섬유를 포함하는 전도성 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 섬유는 합성 섬유를 포함하고, 합성 섬유는 열가소성 중합체로부터 형성되는 전도성 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 구역 및 비-전도성 구역은 웨브 내에 전기 회로를 형성하는 전도성 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 웨브는 제2 전도성 웨브에 접합되고, 초음파 처리된 영역은 제1 웨브를 제2 웨브에 접합시키는 전도성 재료.
  7. 제6항에 있어서, 초음파 처리된 영역은 비-전도성 구역에 인접하여 제1 전도성 웨브와 제2 전도성 웨브 사이의 전기 연결을 형성하는 전도성 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 정의된 전도성 부직포 웨브를 포함하며, 전도성 부직포 웨브는 대향 전도성 층으로부터 이격되고, 전도성 부직포 웨브와 대향 전도성 층이 함께 가압될 때 전도성 부직포 웨브와 대향 전도성 층 사이에 전기 연결이 형성되는 전자 스위치.
  9. 제8항에 있어서, 대향 전도성 층은 제2 전도성 부직포 웨브를 포함하는 전자 스위치.
  10. 제8항에 있어서, 전도성 부직포 웨브와 대향 전도성 층 사이에 비-전도성 층이 위치하고, 비-전도성 층은 개구를 포함하며, 전도성 부직포 웨브와 대향 전도성 층이 함께 가압될 때 상기 개구를 통해 전도성 부직포 웨브와 대향 전도성 층 사이에 전기 연결이 이루어지는 전자 스위치.
  11. 복수의 키이(key)를 지정하는 외부 표면;
    키이 아래에 위치하는 제1 전도성 층;
    제1 전도성 층으로부터 이격되는 제2 전도성 층으로서, 키이들 중 하나가 눌려질 때, 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에 전기 연결이 이루어지는, 제2 전도성 층
    을 포함하고, 이때 제1 전도성 층 또는 제2 전도성 층은 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 정의된 전도성 부직포 웨브를 포함하는 전자 물품.
  12. 제11항에 있어서, 제1 전도성 층과 제2 전도성 층 사이에 위치하는 비-전도성 층을 더 포함하고, 비-전도성 층은 외부 표면 상에 위치하는 키이의 각각에 위치가 대응하는 복수의 개구를 가지는 전자 물품.
  13. 제12항에 있어서, 외부 표면은 제1 전도성 층의 표면을 포함하고, 제1 전도성 층은 전도성 부직포 웨브를 포함하며, 복수의 키이는 전도성 부직포 웨브의 외부 표면 상에 인쇄되는 전자 물품.
  14. 제11항에 있어서, 커버층 및 백킹층을 더 포함하고, 제1 전도성 층과 제2 전도성 층은 커버층과 백킹층 사이에 위치하며, 커버층은 복수의 키이가 위치하는 외부 표면을 형성하는 전자 물품.
  15. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 부직포 웨브는 합성 섬유와 조합되는 탄소 섬유를 함유하고, 전도성 부직포 웨브는 코폼 웨브 또는 수류교락(hydroentangled)된 웨브를 포함하는 제품.
  16. 제8항에 따른 전자 스위치를 포함하는 의류 물품.
  17. 제8항에 따른 전자 스위치를 포함하는 조명 사인.
  18. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전도성 재료로부터 구성되는 다이폴 안테나(dipole antenna)를 포함하는 RFID 장치.
  19. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전도성 재료를 포함하는 발열 장치.
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