KR20140040867A - 도전성 재료의 제조 방법, 도전성 재료, 및 도전성 재료를 포함하는 라디에이터 - Google Patents

도전성 재료의 제조 방법, 도전성 재료, 및 도전성 재료를 포함하는 라디에이터 Download PDF

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Abstract

다음의 단계들을 포함하는 도전성 재료(5)의 제조 방법이 제안되는데 : a. 탄소 섬유(3)의 제공 단계, b. 탄소 섬유(3)와는 다른 고분자 섬유(4)의 제공 단계, c. 탄소 섬유(3)와 고분자 섬유(4)의 시트 형상 레이업 형태의 혼합물(2)의 제공 단계, d. 혼합물(1)의 선택적 건조 단계, e. 혼합물(1)의 고체화 단계, f. 선택적으로 혼합물(1)를 크기에 맞춰 절단 단계, g. 혼합물(1)의 탄화 단계, 여기서 상기 탄화된 고분자 섬유(4)는 최소한 부분적으로 탄소 섬유(3)를 감싸는 탄소계 도전성 매트릭스(6)를 형성한다. 또한, 대응하는 방법으로 얻을 수 있는 도전성 재료(5)가 제안된다. 마지막으로, 투명하거나 반투명한 하우징(13) 및 본 발명에 따른 도전성 재료(5)를 포함하는 라디에이터(12)가 제공된다. 본 발명은 증가된 전기 저항을 갖는 도전성 재료를 제공하는 것을 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 특히 사실상 임의의 길이를 갖는 라디에이터(12)가 이제는 종래의 계통전압(grid voltages)에서 작동될 수 있다.

Description

도전성 재료의 제조 방법, 도전성 재료, 및 도전성 재료를 포함하는 라디에이터{PROCESS FOR PRODUCING AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE MATERIAL, ELECTRICALLY CONDUCTIVE MATERIAL AND RADIATOR COMPRISING ELECTRICALLY CONDUCTIVE MATERIAL}
본 발명은 도전성 재료(electrically conductive material)의 제조 방법, 도전성 재료, 및 도전성 재료를 포함하는 에미터(emitter)에 관한 것이다.
이슈가 되는 도전성 재료는 백열 램프 또는 적외선 에미터(infrared emitters)에 사용을 위한 전기적으로 가열할 수 있는 부재로서 사용하기 위한 것으로 생각될 수 있다. 따라서, 상기 도전성 재료는 가시(visible) 및 특히 비가시(non-visible)의 파장 영역에서 목표하는 빔(beams)의 방출을 위해 적합하다.
이 유형의 도전성 재료는 종종 탄소를 기반으로 하거나 또는 주로 탄소로 구성된다. 그러나, 이슈가 되는 시재료(starting material)로서 사용되는 도전성 재료는 전기 전도성을 제공하는 탄소의 대안으로 또는 그것에 더하여 다양한 재료들을 포함할 수 있다.
사용을 위한 준비로 미리 조립된 형태의 이슈가 되는 도전성 재료는 백열 필라멘트, 글로우 와이어(glow wire), 글로우 코일(glow coil), 히터봉(heating rod) 그리고 특히 필라멘트로 또한 불릴 수 있다. 이하에서는 필라멘트에 대해 언급되면, 이것은 또한 항상 필라멘트를 이루는 도전성 재료를 포함한다.
백열 램프 또는 적외선 에미터에 사용을 위한 전기적으로 가열된 부재로서 사용을 위한 도전성 물질, 특히 탄소계 물질의 제조는 오랫동안 알려져 왔다. 상기 도전성 물질은 800℃ 이상의 온도에서 오래 지속 사용을 위한 물질을 준비하는 것을 목표로 많은 수의 제조 단계를 겪는다.
이러한 맥락에서, 생산 로트(lot)의 모든 재료 및/또는 필라멘트가 시재료(starting material)의 특성에서 변화에도 불구하고 전기적 및 기계적 특성의 관점에서 정의된 허용 오차 범위 내에 있도록 제조하는 것은, 따라서 방사선원(radiation source)이 일정하고 일관된 특성을 갖는 것을 보장하는 것은 어렵다. 이러한 맥락에서, 전기적 특성은 주어진 공칭 전압(nominal voltage)과 주어진 방사선원 차원에서 바라는 전원(적외선 방사의 경우) 또는 색온도(백열 램프의 경우)가 달성되도록 적당하게 조정된다. 또한, 도전성 재료는 충분한 기계적 강도와 치수 안정성(dimensional stability)을 포함해야 한다. 그리고 마지막으로, 도전성 재료의 제조에 관련된 노력과 비용이 합리적인 수준에 있어야 한다.
여기에서 이슈가 되는 도전성 재료의 적용의 바라는 목적에 따라, 상기 언급된 요구사항들은 일반적으로 달라질 것이고, 다양한 기술적인 해결책들이 상기 요구사항을 충족시키기 위해 통상의 기술자들에 의해 선택될 것이다. 도전성 재료의 제조의 개요는 「John W. Howell, Henry Schroeder: History of the Incandescent Lamp, The Maqua Company, Schenectady, NY 1927」에서 제공된다.
상기의 도전성 재료는 예를 들어, 적절한 인벨롭핑(enveloping) 재료와 함께 도전성의 인벨롭핑(enveloping) 섬유에 의해 제조될 수 있다. 상기 인벨롭핑(enveloping) 재료는, 특히 열처리가 수행된 이후에, 도전성 섬유(electrically conductive fibres)를 위한 적합한 매트릭스(matrix)를 제공할 수 있다.
그러면 상기 언급된 요구사항들의 프로필(profile)에 따라 어떤 특성을 달성하려는 통상의 기술자는 목표한 방식에서 도전성 재료의 전기적 특성을 변화시키는 것을 목표로 할 것이 명백하다. 다수의 적절한 접근들이 종래 기술에서 공지되어있다.
첫째로, 일정한 표면에서 특히 필라멘트로서 미리 조립된 형태에서 도전성 재료의 단면적을 변화시키는 것이 고려될 수 있다. 연신 테이프(stretched tapes)의 형상으로 디자인된 도전성 재료의 경우, 이것은 전기적 파라미터가 거의 일정한 원주(circumference)와 감소하는 두께에서 넓은 범위에 걸쳐 조절되는 것을 가능하게 한다. 그러나, 늘어난(extended) 에미터가 보통의 전압에서 사용되면, 도전성 재료로서 사용되는 상기 연신 테이프는 너무 얇고, 너무 잘 부러지고, 너무 균열이 발생하기 쉬운 것으로 판명된다.
EP 0 700 629 B1에는 특히 필라멘트로서 미리 조립된 도전성 재료가 공지되어 있는데, 그것은 도전성 재료, 즉 필라멘트의 합리적인 안정성과 결합된 큰 에미터 길이에서 높은 전력 값을 제공한다. 그러나, 거기에 제안된 필라멘트의 전기 저항은 산업용으로 일반적인 전기 전압에서 짧거나 매우 긴 에미터의 작동을 위해서는 불충분하다. 또한, 도전성 재료 내의 도전성 섬유의 종류 또는 매트릭스 형성제로서 사용되는 수지(resin)의 종류를 변화시키는 것은 도전성 재료로 이루어진 필라멘트가 또한 프로세싱 동안 안전하면 상기 특성의 어떠한 결정적인 변화도 제공하지 않는다는 것은 분명하다.
대안적으로 또는 부가적으로, 특정 전기적 특성을 달성하기 위하여 도전성 재료의 시재료를 도핑하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 도전성 재료는, 예를 들어 결정질 탄소, 비정질 탄소, 및 전도성 조절을 위해 예를 들어 질소 및/또는 붕소와 같은 추가 물질들로부터 제조될 수 있다. 이러한 유형의 재료는 US 6,845,217 B2 에 설명되어 있다. US 6,627,144 는 유기 수지(organic resins), 탄소 분말, 탄화 규소(silicon carbide) 및 질화 붕소(boron nitride)를 제안한다.
그러나, 이러한 방법들을 통해 제조된 도전성 재료는 그것들로부터 얻어진 필라멘트 및/또는 히터봉(heating rods)들이 특정의 상당한 두께 이하를 가져서는 안된다. 또한, 상기의 필라멘트 및/또는 히터봉의 길이는 매우 제한된다. 이러한 기계적 요구사항들로 인한 상기 필라멘트의 단면적은 작은 표면적에서 높은 전도도를 초래한다. 또한, 상기 필라멘트의 낮은 기계적 안정성은 산업 공정을 불가능하지 않으면 어렵게 만든다.
낮은 전도도에서 우수한 기계적 안정성을 얻기 위해서는, 램프 또는 에미터에 섬유 또는 섬유를 함유한 물질을 기반으로 한 도전성 재료를 사용하는 것이 알려져 있다. 이와 관련해서, 큰 표면적 값에서 미리 조립된 도전성 재료(예를 들어 필라멘트 또는 히터봉의 형태)의 낮은 두께 값은 비정질 흑연에 비해 높은 전도도가 섬유 내에서 보상될 수 있도록 얻어질 수 있다. 상기 필라멘트는 일반적으로 탄화(carbonisation), 가능하면 흑연화(graphitisation)의 방법으로 제조된다.
탄화(carbonisation)는 대개 불활성 분위기(inert atmosphere)에서 400℃와 1,500℃ 사이의 온도에서 진행되는데, 수소, 산소 ,및 질소 그리고 가능하면 존재하는 추가 성분들이 도전성 섬유를 감싸는 재료(인벨롭핑 재료)로부터 제거되어 그 결과 높은 탄소 함량을 갖는 도전성 재료가 제조된다. 공정 내에서, 인벨롭핑 재료는 도전성 섬유를 감싸는 매트릭스로 변한다.
흑연화(graphitisation)는 대기압에서 불활성 분위기 또는 진공에서 1,500℃와 3,000℃ 사이의 온도에서 진행되는데, 탄화 이후에 여전히 존재하는 어떠한 비탄소(non-carbon) 성분도 도전성 섬유 및 그것들을 감싸는 매트릭스로부터 증발하고, 도전성 재료의 미세 구조는 이 방법에 의해 영향을 받는다. 이 문맥에서 매트릭스는 도전성 섬유를 감싸는 탄화된 재료(즉, 탄화된 인벨롭핑 재료)로 이해되어야 한다.
전기적 특성을 원하는 대로 조절하기 위해서, 도전성 재료를 도핑하는 도전성 재료들이 이 맥락에서 공지되어 있다. US 487,046 은 도전성 재료에 혼합하기 위한 소위, 특히, 탄화물의 기체상(gas phase)으로부터 물질의 추가를 설명한다. 이것은 도전성 재료의 전기적 특성을 변화시킨다. 그러나, 이 방법은 각 필라멘트가 별도로 처리될 필요가 있는 힘든 세 번째 열처리를 필요로 한다. 또한, 탄화물로 도핑하는 것은 매우 잘 부서지는 도전성 재료를 생산하는데, 그것은 산업용 적외선 조사(infrared irradiation)를 위해 적당하거나 적절한 크기로 사용되는 에미터에서의 사용에는 부적합하다.
도전성 재료의 전기적 특성은 또한 흑연화 단계 동안의 초기에 영향을 받을 수 있다. 흑연화의 최대 온도 및 그것의 지속시간은 따라서 생성된 도전성 재료의 전도도에 어느 정도 영향을 미친다. 이러한 효과는 「H.O. Pierson: Handbook of Carbon , Graphite , Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Park Ridge, NJ 1993」에 설명되어 있다. 그러나, 흑연화에 사용되는 높은 온도가 도전성 재료의 저항을 낮추기 때문에, 상기의 효과는 긴(long) 에미터를 위한 도전성 재료의 제조에 있어서는 비생산적인데, 높은 필라멘트 온도에서 높은 저항을 갖는 도전성 재료가 긴 에미터를 위해 필요하기 때문이다.
예를 들어, US 248,437 에서 제안된 것처럼, 열분해(pyrolysis)의 방법에 의해 도전성 재료의 표면에 추가적인 탄소를 증착하는 것에 있어서도 마찬가지이다. 이 유형의 방법은 도전성 재료 및/또는 필라멘트 내에서 보이드(voids)가 채워지는데 영향을 미칠 수 있지만, 항상 저항의 감소를 초래해서 이것도 또한 긴 에미터 또는 높은 공칭 전압(nominal voltage)에서 작동되는 에미터에 사용을 위한 도전성 재료의 적합성을 달성하는 것에 실패한다.
GB 659,992 는 탄소계 도전성 재료로 만들어진 필라멘트의 단면을 감소시키기 위한 방법을 제안한다. 기체 상에서의 에칭 공정이 이 문맥에서 사용된다. 하지만 상기 에칭 처리는 매우 힘들고, 탄화 및 흑연화 단계뿐만 아니라 다수의 추가적인 단계도 포함한다. 또한, 아직 전기적 접촉부(electrical contacts)가 제공되지 않은 도전성 재료 및/또는 필라멘트만이 에칭 공정으로 처리될 수 있다. 하지만, 강한 전류를 감당할 수 있도록 설계된 필라멘트는 첫 번째 열 공정 전의 초기에 전기적 접촉부가 제공된다. 따라서, 이 방법 또한 매우 긴 에미터를 위한 도전성 재료의 제조를 위해서는 사용될 수 없다.
요약하면, 이전에 공지된 도전성 재료들 및/또는 그것들의 제조 방법들은 기본적으로, 특히 필라멘트의 형태에서, 재료의 전기적 특성이, 특히 도전성 섬유에서, 재료의 도전성 구성 요소를 선택하는 것을 통해서 영향을 받는 것을 허용하지 않는다. 따라서 특정 전기적 특성을 조절하기 위해서, 도전성 재료의 길이 및/또는 단면적을 변화시키는 것 및/또는 도전성 재료를 그 조성물 및/또는 그들 구조의 면에서 상기 및/또는 제조 후 설명된 방법들 중 하나로 바꾸는 것이 지금까지는 관례적이다.
또한, 종래 기술에 따라 특정 전기적 특성을 조절하는 것은 종종 추가적인 열처리를 수행해야 하는 것과 연관되는데, 그것은 생산을 더 복잡하고 더 비용이 많이 들게 한다. 그러나 심지어 이런 방법들도 일반적으로 전기적 특성이 충분히 큰 범위에서 조정될 수 있도록 허용하지는 않는다.
마찬가지로, 도전성 재료 및/또는 그것의 제조 방법의 이용 가능성은 통상적인 전압에서 매우 긴 에미터에 도전성 재료를 사용할 목적으로 만족스럽지 못하다.
본 발명은 도전성 재료의 이용 가능성과 관련한 상기에서 설명된 것처럼 선행기술에서 초래되는 단점들 중 적어도 하나를 극복하는 것에 기여하는 목적에 기초했다.
구체적으로, 본 발명은 통상적인 라인 전압(line voltages)에서 어떤 길이의 에미터, 특히 적외선 에미터의 작동을 허용하는 도전성 재료와 그것의 제조 방법을 고안하는 목적에 기초했다.
본 발명은 또한 큰 길이로 제조될 수 있는, 즉 0.25 m 이상, 바람직하게는 0.5 m 이상, 더욱 바람직하게는 1.0 m 이상, 그리고 특히 바람직하게는 2.0 m 이상의 에미터, 특히 적외선 에미터, 그리고 특히 탄소 적외선 에미터에 사용하기에 적합한 도전성 재료 및/또는 그것의 제조 방법을 고안하는 목적에 기초했다.
또한, 본 발명은 지금까지 알려진 도전성 재료보다 그 외에는 동일한 디자인(길이, 직경)에서 더 높은 전기 저항을 갖는 도전성 재료 및/또는 그것의 제조 방법을 고안하는 목적에 기초했다.
상기에서 구체화된 목적들 중 적어도 하나를 충족하는 것에 기여는 도전성 물질의 제조 방법에 의해서 이루어지는데, 그 방법은 다음 단계들을 포함한다:
a. 탄소 섬유를 제공하는 단계;
b. 탄소 섬유와는 다른 플라스틱(plastic) 섬유를 제공하는 단계;
c. 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 이차원 매트(mat) 형태의 혼합물을 제조하는 단계;
d. 적용 가능하다면, 혼합물을 건조하는 단계;
e. 혼합물을 고체화하는 단계;
f. 적용 가능하다면, 혼합물을 크기에 맞춰 절단하는 단계;
g. 탄화된 플라스틱 섬유가 탄소계(carbon-based)의, 최소한 부분적으로 탄소 섬유를 감싸는 전기 전도성을 갖는 매트릭스를 형성하는, 혼합물을 탄화하는 단계.
이차원 매트 형태의 혼합물(mixture)은 바람직하게는 소위 부직포(non-woven)를 형성한다. 바람직하게는, 매트는 각각의 짧은 섬유 길이의 탄소 섬유와 플라스틱 섬유(plastic fibres)로부터 형성된다.
본 발명에 따라 제조될 수 있는 도전성 재료의 전기적 저항은 주로 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 개수의 비율 및/또는 각각의 질량, 섬유 특히 탄소 섬유의 길이, 서로에 대한 섬유의 방향, 그리고 재료 내에서 다른 탄소 섬유들 사이에서 접촉 영역의 구체적인 숫자에 기초한다.
특히 본 발명이 기교적인 방식으로 달성하는 것은 도전성 재료를 통해 전류 흐름의 임의의 가능한 방향으로 배향된(oriented) 전류 흐름이 적어도 그것의 전 영역에서 강제된다는 것인데, 그것은 적어도 부분적으로 도전성 섬유를 감싸는 매트릭스를 통해 진행한다. 따라서, 도전성 재료의 전기적 특성은 매우 목표되고 정확한 방식에서뿐만 아니라, 지금까지 타의 추종을 불허하는 방식에서 놀랍게도 광범위에 걸쳐서도 변화될 수 있다.
초기에, 특히 탄소 섬유의 숫자, 길이, 및 배향(orientation)은 전류 흐름의 어느 정도가 매트릭스 재료를 통해 진행하도록 강제되는지 결정하는데 사용될 수 있다.
다른 한편으로, 도전성 매트릭스 재료는 도전성 재료의 전기적 특성을 매우 정확하고 재현가능 하도록 설계하기 위해 대체로 적절하게 선택될 수 있다. 이 목적을 위해, 약간 낮거나 높은 전기 전도도를 갖는 매트릭스 재료가 선택될 수 있다. 이와 관련해서, 매트릭스 재료는 혼합물을 제조하는 것에 사용되는 플라스틱 섬유의 탄화를 통해 제조된다.
본 발명에 의해 제공되는 것처럼, 매트릭스 재료를 전류의 흐름에 포함되도록 강제하는 것은 종래 기술로부터 잘 알려진 문제를 효과적인 방식으로 극복하는 효과적인 수단이며, 그것은 이른바 도전성 재료의 전기적 특성은 도전성 섬유에 의해 주로 결정된다는 것이다.
이 문맥에서, 본 발명의 영역에서 도전성 재료는 한편으로 추가 공정 및/또는 성형에 적합한 기초 재료를 포함한다. 그러나, 본 발명의 영역에서 도전성 재료라는 용어는 이미 몇몇의 사전 조립 단계를 겪은 재료를 또한 포함하고, 구체적으로 필라멘트, 글로우 와이어, 글로우 코일, 히터봉 또는 그와 같은 것을 포함한다. 또한, 도전성 재료는 이미 전기적 접촉부(electrical contacts)를 포함할 수 있다.
특히, 제한하지는 않지만, 본 발명에 따른 도전성 재료는 고강도 에미터, 특히 램프 또는 적외선 에미터를 위한 재료 또는 필라멘트, 특히 이차원 필라멘트와 관계되며, 그것의 필라멘트 온도는 공기 중에서 탄소의 산화 한계를 명백히 초과하고, 따라서 진공 또는 보호 분위기에서 작동되는 것이다.
본 발명의 영역에서, 매트(mat)는 편조(braiding) 또는 직조(weaving)와는 달리 랜덤으로 증착되는, 다수의 단일 스레드(threads), 이른바 섬유의 혼합물이다. 이 유형의 매트는, 특히, 다양한 스레드 및/또는 각각 짧은 섬유 길이의 섬유들이 혼합되어 내려놓아 질 때, 제조된다. 한계를 위해, 직조물(woven materials)은 일반적으로 많은 날실(warp threads)을 통해 하나 또는 그 이상의 씨실(wefts)을 가이드 하는 것에 의해서 제조된다. 보통, 날실과 씨실은 서로에 대해 약 90°의 각도로 위치한다. 편조물(braided material)의 경우에, 적어도 3개의 실이 서로 주위에 배치된다. 보통, 이러한 적어도 3개의 실은 서로에 대해 90°와는 다른 각도에 위치한다. 하지만, 직조 및 편조와 달리, 매트(mats)는 가이드 되는 단일 스레드(thread)를 포함하지 않는다.
이차원 매트 형태의 혼합물에서, 플라스틱 섬유는 또한 탄소 섬유를 둘러싸는 주변 재료(surrounding material)로 언급될 수 있다. 상기 주변 재료는 탄소 섬유를 도포(coat), 결합(bond), 붙잡거나(hold), 또는 주입(impregnate)할 수 있다.
탄소 섬유와 플라스틱 섬유로 이루어진 이차원 매트 형태의 혼합물은, 특히 고체화된(consolidated) 형태에서, 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 복합체로 또한 언급될 수 있다.
편의를 나타내면, 추가적인 첨가제들이 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 복합체 내에 존재할 수 있다. 그러므로, 이러한 유형의 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 합성물의 실시태양은 본 발명의 일반적인 영역으로부터 벗어난 것이 아니다.
탄소 섬유는 또한 이하에서 도전성 섬유라고 언급될 것이다. 이 용어는 동의어로 사용된다.
적용의 영역에서 혼합물의 고체화(consolidation)는 기계적 고체화 및/또는 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 혼합물을 단단히 다지는(compacting) 것으로 정의된다. 이 문맥에서 고체화는 열에 노출을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고체화는 혼합물의 압연(rolling) 또는 가열(heating)에 의해 또는 둘 다에 의해 구현될 수 있다.
플라스틱 섬유를 전기 전도성을 갖는 탄소계 재료로 변환하기 위한 혼합물의 탄화(carbonisation)는 600℃에서 1,500℃의 온도 범위에서 고체화된 혼합물(consolidated mixture)의 고온 처리를 포함한다. 특히 이 문맥에서 바람직한 것은 800℃에서 1,200℃의 온도 범위이다. 탄화 동안, 전기 전도성을 갖는 탄소계 매트릭스가 플라스틱 섬유로부터 및/또는 주변 재료로부터 생성된다. 매트릭스(matrix)는, 적어도 부분적으로, 탄화 단계 동안 본질적으로 변환되지 않는 탄소 섬유들을 감싼다. 적용가능하다면, 흑연화(graphitisation)는 탄화 이후에 뒤따를 수 있다. 두 프로세스 단계는 이미 앞에서 예시되었다.
도전성 재료를 통한 전류(current) 또는 전류 흐름(current flow)의 가능한 방향이라는 용어는 기본적으로 전류가 본 발명에 따른 도전성 재료를 통해 수행될 수 있는 임의의 방향을 기술한다. 그러나, 전류 흐름의 바람직한 방향은 도전성 재료의 길이 연장(longitudinal extension) 방향에 따른 것이다. 상기 길이 연장 방향은 도전성 재료가 특히 필라멘트로서 도입될 수 있는 에미터 하우징(emitter housing)의 길이 축과 특히 일치할 수 있다. 그러나, 도전성 재료는 코일 형상(coil-shaped) 또는 구불구불하게(meandering) 디자인 되는 것이 이 문맥에서는 가능하고, 따라서 도전성 재료의 길이 연장 방향은 이 점에서는 인벨롭핑 하우징(enveloping housing)의 길이 축으로부터 벗어날 수 있다. 특히, 전류의 가능한 방향은 필라멘트의 길이 연장 방향과 일치한다.
본 발명에 따른 방법의 첫 번째 바람직한 실시태양에 따르면, 혼합물에 대한 탄소 섬유의 질량 분율(mass fraction)은 질량의 1％(질량％) 에서 70 질량％ 이다. 바람직하게는, 질량 분율이 30 질량％ 에서 60 질량％ 이고, 특히 바람직하게는 45 질량％ 에서 55 질량％ 이다.
또 다른 유리한 실시형태에 따르면, 혼합물은 단위 면적당 75 g/m2 에서 500 g/m2 의 섬유 중량(weight)를 갖는다. 단위 면적당 120 g/m2 에서 260 g/m2 의 섬유 중량이 이 문맥에서 특히 바람직하다. 단위 면적당 바람직한 섬유 중량의 이러한 사양은 아직 탄화(carbonised)되지는 않았으나 이미 고체화된(consolidated) 복합체를 나타낸다.
혼합물에서 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 길이가 탄소 섬유의 길이에 비해 최대 50％ 차이가 나는 방법의 실시태양이 유리한 것으로 증명된다. 바람직하게는, 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 길이는 각각 탄소 섬유의 길이에 비해 최대 10％, 특히 바람직하게는 최대 5％ 차이가 난다. 각각의 섬유 길이는 알려진 통계 방법을 이용하여 결정될 수 있는 대응하는 섬유 종류의 평균 섬유 길이(mean fibre length)를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 첫째로, 탄소 섬유와 플라스틱 섬유의 길이를 가능한 동일에 가깝게 하는 것은 균질한 혼합물(homogeneous mixture)의 제조를 쉽게 한다. 또한, 상기 전제 조건이 충족되면 이후에 생산된 도전성 재료의 전기적 특성이 더욱 잘 조절될 수 있고, 따라서 더욱 정확하게 예측 가능하다.
본 발명의 영역의 유리한 실시태양에서, 혼합물 내에서 탄소 섬유 또는 플라스틱 섬유 또는 둘 다는 3 mm 에서 30 mm 의 섬유 길이를 갖는다. 이 문맥에서 10 mm 에서 25 mm 범위의 섬유 길이가 바람직하며, 15 mm 에서 20 mm 범위가 특히 바람직하다. 상기 실시태양의 영역에서, 선행 실시형태에 대안적으로 또는 부가하여, 구성 요소의 더 나은 혼화성(miscibility)과 이후에 제조된 도전성 재료의 전기적 특성의 정확한 조절 기능이 얻어진다.
탄소 섬유는 바람직하게 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 타르(tar), 또는 비스코스(viscose) 또는 적어도 이것들 2개의 혼합물로부터 얻어진다. 탄소 섬유는 바람직하게 PAN계 섬유 및/또는 표면이 코팅되지 않은 섬유로 구성된다. 표면이 코팅된 경우에는, 바람직한 코팅은 또 다른 탄화에서 탄소 잔류물을 남겨두지만, 적어도 탄소 섬유를 손상시키지는 않는다.
또 다른 유리한 방법의 실시태양은 플라스틱 섬유가 열가소성(thermoplastic) 재료를 포함하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 플라스틱 섬유에 대한 열가소성 재료의 분율은 최소 40 질량％ 이고, 각각 플라스틱 섬유의 총 질량에 대해 더욱 바람직하게는 최소 80 질량％ 이며, 특히 바람직하게는 최소 95 질량％ 이다. 열가소성 부분을 포함하거나 완전히 열가소성 재료로 이루어진 플라스틱 섬유는 특히 탄소 섬유와의 혼합 및 이차원 매트의 제조를 위해 매우 적합한 것으로 입증된다. 또한, 높은 탄소 분율이 탄화 후에 열 가소성 재료로부터 얻어진다. 열 가소성 재료를 포함하는 혼합물의 열 고체화(thermal consolidation)도 또한 쉬워진다.
열가소성 물질은 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 또는 폴리이미드(PI) 또는 이들 중 적어도 2개의 혼합물을 함유한다. 이 문맥에서, 탄화 후에 높은 탄소 분율을 제공하는 PEEK 및/또는 PET가 특히 바람직하다.
또 다른 실시태양에 따르면, 듀로플라스틱(duroplastic) 재료로 이루어진 또 다른 플라스틱 섬유는 열가소성 재료로 이루어진 플라스틱 섬유에 더하여 이용된다. 상기의 듀로플라스틱 재료는 바람직하게 비닐에스테르 수지(vinylester resin), 페놀 수지(phenol resin) 또는 에폭시 수지(epoxide resin) 또는 적어도 이들 중 2개의 혼합물을 함유한다.
본 발명에 따른 바람직한 방법의 실시태양에 따르면, 도전성 재료는 최소 95 질량％의 탄소 함유량을 갖도록 제조된다. 특히, 바람직한 탄소 함유량은 96 질량％ 이상이며, 특히 바람직하게는 97 질량％ 이상이다. 하지만 탄소 함유량의 바람직한 상한은 99.6 질량％ 이다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 개발에 따르면, 특정 매트릭스의 전기 전도도는 도전성 섬유의 것보다 낮다. 본 발명에 의해 제공된 바와 같이, 따라서 매트릭스의 적어도 일부 영역을 통해 강제로 흐르는 전류는 모두 도전성 재료의 전기 저항에서 전반적인 증가로 이어질 수 있다.
바람직하게는, 매트릭스의 비전기 전도율(specific electrical conductivity)은 도전성 섬유에 비해 5배 만큼 낮고, 바람직하게는 10배 만큼 낮다.
바람직한 방법의 실시태양은 상온에서 1.0×10-3 내지 1.7×10-3Ωcm, 특히 바람직하게 1.6×10-3Ωcm의 비저항(resistivity)을 갖는, 탄소 섬유, 특히 PAN계 탄소 섬유의 사용을 위해 제공한다. 부가적으로 또는 별개로, 상온에서 107Ωcm 이상, 특히 바람직하게 1016Ωcm 이상의 비저항을 갖는 플라스틱 섬유의 사용이 선호된다. 본 발명에 따른 방법의 후속 단계에서, 전기 전도성을 갖는 매트릭스는 상기 플라스틱 섬유로부터 제조된다.
전술한 바와 같이, 열가소성 및/또는 듀로플라스틱 분율을 갖는 플라스틱 섬유로 이루어진 매트릭스의 제조가 바람직하다. 무기입자, 특히 산화물, 황산염, 또는 알루미늄산염 또는 그것들의 혼합물과 같은 추가적인 충전제(filling agents)가 상기 인벨롭핑(enveloping) 재료 내에서 열가소성 및/또는 듀로플라스틱 재료에 첨가될 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 방법의 실시태양은 플라스틱 섬유가 인벨롭핑 재료로서 및 매트릭스의 기초로서 열가소성 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 대안적으로 또는 부가적으로, 인벨롭핑 재료는 오히려 듀로플라스틱 재료를 포함할 수 있다.
방법의 또 다른 바람직한 실시형태에서, 매트는 탄화 전에 가열에 의해 다시 변형가능 하게 되고, 특히 매트의 면에서 드로잉(drawing) 및/또는 스트레칭(stretching)을 통해 및/또는 매트의 면에 수직으로 변형을 통해 및/또는 매트를 트위스트(twisting) 하는 것에 의해 변형된다. 따라서, 이후에 제조된 도전성 재료의 전기적 및/또는 기계적 특성에 목표된 영향이 발휘될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 매트는 탄화 전에, 특히 크기에 맞춰 절삭 또는 고체화(consolidation) 또는 건조 전에 적어도 하나의 탄소 섬유 층을 통해 강화(reinforced)될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 재료는 탄화 전에, 특히 크기에 맞춰 절삭 또는 고체화 또는 건조 전에 적어도 하나의 탄소 섬유 조방사(roving)를 통해 강화될 수 있다.
탄소 섬유 조방사(carbon fibre rovings)는 바람직하게 긴 길이를 갖는 탄소 섬유의 다발이다. 또한, 조방사는 바람직하게 꼬이지 않은(non-twisted) 섬유 다발이다. 상업적 조방사는 상업적으로 조방사 1개당 12,000, 3,000, 및 드물게 1,000개의 섬유를 포함하는 것이 이용가능 하다. 이 문맥에서 단일 탄소 섬유의 직경은 일반적으로 약 5μm 내지 약 8μm 이다.
광범위하게 변하는 저항값은 이때에 상업적으로 이용가능한 몇몇 조방사에 의해 다루어질 수 없기 때문에, 어떤 다른 섬유의 개수를 갖는 수가 단지 아주 제한된 숫자로 존재하는 것은 종래의 기술에 따른 다른 도전성 재료 및/또는 필라멘트의 기술적으로 실현 가능한 변형의 한계를 다시 예시한다.
추가적인 방법의 실시태양에 따르면, 매트는 강화(reinforcement) 전에 적어도 한 층 또는 적어도 하나의 탄소 섬유 조방사와 함께 열에 의해 고체화(thermally consolidated)되고, 강화 및 탄화(carbonisation) 이후에 다시 열에 의해 고체화된다.
도전성 재료의 저항의 더 바람직한 증가를 참조하면, 도전성 재료로부터 탄소가 제거되고 있는 본 방법의 실시형태가 제안된다. 상기 제거 공정은 바람직하게 도전성 재료의 제조가 완료된 후에 진행된다. 이러한 맥락에서 도전성 재료를 반응성 유체(reactive fluid) 특히, 수소 및/또는 수증기로 처리하는 것은 특히 바람직하다. 추가적으로, 보호 가스, 바람직하게 아르곤이 처리(treatment) 동안에 사용될 수 있다.
앞에서 구체화된 목적들을 충족하는 것에 기여는 또한 본 발명에 따른 방법에 따라 얻어질 수 있는 도전성 재료에 의해 이루어진다. 상기 도전성 재료는 특히 적외선 방사의 생성을 제공하며, 특히 적외선 에미터를 위한 방사선 소스(radiation sources)로서 필라멘트, 글로우 필라멘트, 글로우 와이어, 글로우 코일, 또는 히터봉을 제공하기 위해 특히 적합하다. 이 문맥에서, 본 발명에 따른 방법을 참조하여 제공된 정보를 참고바람.
앞에서 구체화된 목적들을 충족하는 것에 기여는 다음을 포함하는 복합체를 포함하는 도전성 재료에 의해 달성된다:
a. 첫 번째 탄소 섬유와 추가 탄소 섬유; 및
b. 매트릭스의 전기 전도도가 탄소 섬유의 것보다 낮은, 부분적으로 첫 번째 탄소 섬유와 추가 탄소 섬유 각각을 감싸는 매트릭스;
이때, 합성물을 통한 단면에 대해, 상기 단면을 통해 연장되는 탄소 섬유의 총 수에 대해, 상기 단면을 통해 연장되는 탄소 섬유의 20％ 이상은 같은 단면을 통해 연장되는 어떤 다른 탄소 섬유와도 접촉하지 않는다.
특히 바람직한 실시태양은, 같은 단면을 통해 연장되는 어떤 다른 탄소 섬유와도 접촉하지 않는, 단면을 통해 연장되는 탄소 섬유의 40％ 이상을 갖는다.
이러한 맥락에서, 동일한 단면을 통해 연장되는 다른 어떤 탄소 섬유와도 접촉하지 않는 탄소 섬유의 분율의 사양(specification)은 도전성 재료의 비저항(resistivity)의 측정이다. 앞에서 설명한 방식에서 더 적은 탄소 섬유가 다른 탄소 섬유와 접촉할수록, 도전성 재료의 비저항은 더 높아진다. 이러한 적용은 본 발명의 영역에서 바람직한, 매트릭스는 탄소 섬유보다 낮은 비저항을 가지는 전제조건에서 적용된다. 서로 접촉하는 탄소 섬유의 분율이 더 낮을수록, 매트릭스를 통해 흐르게 되는 전류 흐름의 분율은 더 높아진다.
접촉하는 탄소 섬유의 분율을 변화시키는 것은 도전성 재료의 전기적 특성을 넓은 범위에서 상당한 정확도로 조절될 수 있도록 한다. 접촉하는 탄소 섬유의 분율은 통계적인 방법을 통해 결정될 수 있다. 이것은 도전성 재료의 미세 단면 사진에 기초할 수 있다.
바람직하게는, 도전성 재료를 통하는 상기 언급된 단면은 재료를 통한 가능한 전류 흐름의 방향에 수직이 되도록 그 단면이 배향되는 것으로 정의된다. 도전성 재료를 통한 가능한 전류 흐름의 방향이라는 용어는 앞에서 정의되었다. 편의상, 특히 도전성 재료가 바람직하게는 필라멘트로서 길쭉하게 제공되는 도전성 재료의 길이 연장 방향에 수직이 되도록 배향되는 것으로 단면을 정의한다.
본 발명에 따른 도전성 물질의 또 다른 유리한 실시형태는 다음 특성들 중 적어도 하나를 갖는다:
ⅰ. 매트릭스는 정의된 비전기 전도율(specific electrical conductivity)을 갖는다;
ⅱ. 매트릭스는 탄소 섬유의 배향을 정의한다;
ⅲ. 매트릭스는 탄소 섬유들 사이의 접촉 위치의 특정 수를 정의한다;
ⅳ. 탄소 섬유는 재료를 통한 전류의 흐름이 적어도 매트릭스의 부분 영역을 통해 진행하는 것이 강제되도록 적절한 방식으로 매트릭스 내에 분포 및/또는 배향된다.
특히 바람직한 도전성 재료는 상기 명시된 특성들 중 하나 이상을 가지며, 그에 의하여 언급된 모든 특성을 갖는 재료가 더욱 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 도전성 재료는 임의로, 이미 전기적 단부 접촉부(electrical end-contacts)들을 구비한 필라멘트로서 직접 제조될 수도 있다. 플라스틱 섬유가 열가소성 재료를 포함하면, 다음의 하위 방법들이 제안된다: a) 매트를 적절한 크기에 맞춰 절삭, b) 전기적 단부 접촉부들을 적용, c) 탄화, d) 흑연화. 그 후에, 필라멘트는 에미터를 생성하기 위해 처리될 수 있다.
플라스틱 섬유가 듀로플라스틱(duroplastic) 재료를 포함하면, 다음의 하위 방법이 바람직하다: a) 매트를 크기에 맞춰 절삭, b) 전기적 단부 접촉부들을 적용, c) 적용가능한 경우, 산화(oxidation), d) 탄화, e) 흑연화. 그 후에, 필라멘트는 에미터를 생성하기 위해 처리될 수 있다.
앞에서 구체화된 목적들을 충족하는 것에 기여는 다음을 포함하는 에미터(emitter)에 의해 달성된다:
a. 투명 또는 반투명 하우징;
b. 상기 하우징 내에 배치된 본 발명에 따른 도전성 재료.
상기 에미터 내에 배치된 도전성 재료는 특히, 필라멘트로서 미리 조립될 수 있고, 그리고/또는 글로우 와이어, 필라멘트, 글로우 코일, 히터봉, 또는 가열판(heating plate)의 형상을 취할 수 있다.
도전성 재료가 탄소 섬유 및/또는 매트릭스를 파쇄하지 않고, 그리고/또는 탄소 섬유와 매트릭스를 분리하지 않고, 1.0 m, 바람직하게는 1.0 m 미만, 특히 바람직하게는 0.25 m의 반경에 대해 원형으로 및 전체 길이를 넘어, 굽혀질 수 있는 적당한 유연성(flexibility)을 갖는 에미터가 바람직하다. 어떤 경우에도, 도전성 재료는 굽혀진 후 그것에 부여된 길어진 형상(extended shape)으로 되돌아 가려는 경향을 가져야 한다.
에미터는 도전성 재료의, 특히 필라멘트의 길이 당 전기적 동작 전압(operating voltage)으로서 측정된 150 V/m 이상, 바람직하게는 300 V/m 이상의 범위에서 전기 전도도를 갖는 도전성 물질을 포함할 수 있다.
본 발명은 다음의 제한하지 않는 도면과 간결한 예시적인 실시형태에 기초하여 더욱 상세하게 도시된다.
그것들에 나타낸 첨부 도면 및 예시적인 실시형태는 먼저 다음에서 일반적인 방식으로 설명될 것이다. 많은 추가의 예시적인 실시형태는 다음에서 간결하게 설명된다.
본 발명은 도전성 재료의 이용 가능성과 관련한 상기에서 설명된 것처럼 선행기술에서 초래되는 단점들 중 적어도 하나를 극복하는 효과가 있다.
구체적으로, 본 발명은 통상적인 라인 전압(line voltages)에서 어떤 길이의 에미터, 특히 적외선 에미터의 작동을 허용하는 도전성 재료와 그것의 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 또한 큰 길이로 제조될 수 있는, 즉 0.25 m 이상, 바람직하게는 0.5 m 이상, 더욱 바람직하게는 1.0 m 이상, 그리고 특히 바람직하게는 2.0 m 이상의 에미터, 특히 적외선 에미터, 그리고 특히 탄소 적외선 에미터에 사용하기에 적합한 도전성 재료 및/또는 그것의 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 지금까지 알려진 도전성 재료보다 그 외에는 동일한 디자인(길이, 직경)에서 더 높은 전기 저항을 갖는 도전성 재료 및/또는 그것의 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
도1은 2차원 매트(2)의 형태에서 혼합물(1)의 매우 확대된 단면도의 개략도를 도시하며,
도2는 또한 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태를 통해 얻어질 수 있는 발명에 따른 도전성 재료(5)의 바람직한 실시형태의 개략적인 매우 확대된 단면도를 도시하며,
도3은 본 발명에 따른 에미터(12)의 바람직한 예시적인 실시형태의 측면도를 도시한다.
도1은 2차원 매트(2)의 형태에서 혼합물(1)의 매우 확대된 단면도의 개략도를 도시하며, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태에서 혼합물(1)은 본 발명에 따라 얻어질 수 있는 도전성 재료의 전구체 단계(precursor stage)를 포함한다. 이 문맥에서 이차원 매트(2)는 각각 약 3 mm 에서부터 약 30 mm 까지의 범위에서 짧은 섬유 길이를 갖는 본질적으로 랜덤하게 놓여진 탄소 섬유(3)(안이 채워져서 표시)와 플라스틱 섬유(4)(윤곽선으로 표시)의 혼합물이다. 또한, 본 예에 따르면, 혼합물(1)에서 탄소 섬유(3)과 플라스틱 섬유(4)는 탄소 섬유(3)의 길이에 비해 최대 50％ 길이에서 차이가 있다.
플라스틱 섬유(4)는 본 예에서 열가소성 물질을 포함한다. PEEK 및/또는 PET는 이 맥락에서 특히 바람직하다.
현재 고려되는 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태의 추가 절차에 따르면, 가능한 필요한 건조 단계가 혼합물(1), 소위 2차원 매트(2)의 고체화에 선행한다. 그 후, 혼합물(1)은 바람직하게 단위 면적당 75 g/m2 에서 500 g/m2 의 섬유 중량을 가질 수 있다.
(가능하게는) 매트(2)를 크기에 맞춰 절삭한 이후에 혼합물(1)의 탄화가 따르고, 탄화된 플라스틱 섬유(4)는 적어도 부분적으로 탄소 섬유(3)을 감싸는 전기 전도도를 갖는 탄소계 매트릭스로 변환된다. 상기 매트릭스는 본 발명에 따라 얻어질 수 있는 도전성 재료에서만 형성되고, 따라서 도1에는 아직 보이지 않는다.
도2는, 그러나, 또한 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태를 통해 얻어질 수 있는 발명에 따른 도전성 재료(5)의 바람직한 실시형태의 개략적인 매우 확대된 단면도를 도시한다. 탄소 섬유(3)는 다시 안이 채워져서 표시된다. 플라스틱 섬유는 혼합물의 탄화에 의해 탄소 섬유(3)를 감싸는 전기 전도도를 갖는 탄소계 매트릭스(6)로 변환되어있다. 이러한 이유로, 플라스틱 섬유는 도2에 더 이상 보이지 않는다.
본 발명에 따른 도전성 재료(5)는 중앙 부분이 도시되어 있는 본 예에서 필라멘트(7)로서 제공된다. 도전성 재료(5), 소위 필라멘트(7)은 길이 연장의 방향(8)으로 연장되는데, 그것은 이후에 필라멘트의 작동 동안에 전류의 방향(9)과 일치한다.
도2에 따라 보이는 개략도로부터, 도전성 재료(5)를 통한 전류는 특히 길이 연장(8)의 방향에서 항상 적어도 매트릭스(6)의 부분 영역을 통해 진행하는 것이 강제된다는 것은 분명하다.
도전성 재료(5)의 전기적 특성은, 그 중에서도 특히 탄소 섬유(3) 및/또는 플라스틱 섬유(4)(도1 참고)의 길이, 탄소 섬유(3)의 배향, 섬유(3, 4)의 질량비, 탄소 섬유(3)과 매트릭스(6)의 정의된 비전기 전도율(specific electrical conductivity), 그리고 매트릭스(6) 내에서 다양한 탄소 섬유(3)의 접촉 위치(10)의 특정 개수에 의해 결정된다.
따라서, 도2는 또한 매트릭스(6) 내에서 탄소 섬유(3)의 접촉 위치의 양적인 결정을 위한 그림을 도시한다. 먼저, 도전성 재료(5)를 통한 임의의 단면(11)이 정의된다. 단면(11)은 전류의 가능한 방향(9)와 수직이 되도록 편의상 정의된다. 본 필라멘트(7)에서 전류의 방향(9)는 단면(11)이 필라멘트(7)의 길이 연장의 방향(8)에 수직으로 배향되는 필라멘트(7)의 길이 연장의 방향(8)에 의해 주어진다.
이제, 단면(11)을 통해 연장하는 모든 탄소 섬유(3)이 관찰된다. 그리고, 단면(11)을 통해 연장하고, 같은 단면(11)을 통해 연장하는 다른 어떤 탄소 섬유 (3)과도 접촉하지 않는 탄소 섬유(3)의 총 개수의 분율(fraction)이 결정된다. 매트릭스(6) 내에 존재하는 다양한 탄소 섬유(3)의 접촉 위치(10)이 적을수록, 매트릭스(6)의 적어도 부분 영역을 통해 진행하는 것이 강제되는 전류의 분율은 높아진다. 따라서, 이것은 도전성 재료(5)의 전기적 저항의 증가와 연관된다. 본 개략적인 예시에서, 단면(11)을 통해 연장하는 총 6개의 탄소 섬유(3) 중에서 2개는 동일 단면(11)을 통해 연장하는 다른 어떤 탄소 섬유(3)와도 접촉하지 않는다. 따라서 비접촉(non-contacting) 탄소 섬유(3)의 분율은 약 33％이다.
도3은 본 발명에 따른 에미터(12)의 바람직한 예시적인 실시형태의 측면도를 도시하며, 그것은 본 발명의 경우에 적외선 에미터로서 제공된다. 에미터(12)는 가늘고 긴 필라멘트(7)의 형태로 제공되는 도전성 재료(5)를 포함한다. 이 문맥에서, 필라멘트(7)은 본 발명에 따른 도전성 재료(5)로부터 제조된다. 필라멘트(7)은 셸 튜브(shell tube)로서도 불릴 수 있는 투명 하우징(13)에 의해 감싸진다. 하우징(13)은 보호 가스, 소위 아르곤을 포함한다. 대안적으로, 필라멘트(7)은 진공에서 상기 하우징(13) 내에서 작동될 수 있다.
필라멘트(7)는 접촉 소자(contacting elements)(14)의 수단에 의해 전기적 리드선(electrical leads)(15)에 연결된다. 코일-형상의 보상 소자(compensation element)(16)는 하우징(13)과 필라멘트(7)의 열 팽창의 차이를 보상할 수 있도록 하기 위하여 각 접촉 소자(14)와 전기적 리드선(15) 사이에 배치된다. 전기적 리드선(15)은 진공-밀폐(vacuum-tight) 방식으로 하우징(13)으로부터 빠져나온다. 이러한 목적을 위해, 크림핑(crimping) 연결 또는 연결 부위의 진공 밀폐를 위한 어떤 다른 유리한 기술들이 적용될 수 있다.
측정 방법
비저항
기술된 비저항 값은 「DIN IEC 60093:1983; Pruefverfahren fuer Elektroisolierstoffe; Spezifischer Durchgangswiderstand und spezifischer Oberflaechenwiderstand von festen , elektrisch isolierenden Werkstoffen」에 따른 측정 방법에 의한 측정을 언급한다.
전기 전도도, 비전기 전도율( specific electrical conductivity ), 및 전기 저항
도전성 재료의 전도도는 저온 조건(cold condition)에서 및/또는 에미터 또는 저항 측정 장치 또는 전도도 측정 창치를 사용하는 것과 같은 것으로 집적(integration) 전에 측정될 수 있으며, 그것에 의해 도전성 재료 특히 필라멘트의 기하학적인 크기는 측정 테이프(measuring tape) 또는 슬라이드 눈금자(slide ruler)(길이, 폭, 두께)의 방법에 의해 결정되고, 측정된 것으로서의 전기 저항은 비저항을 계산하기 위해 또한 사용될 수 있다.(위를 참조)
에미터로 집적된 및/또는 그것의 의도된 사용 동안에 도전성 재료의 전기 저항은 에미터를 가로지르는 전압 강하의 측정과 에미터를 통해 흐르는 전류의 측정으로부터 옴의 법칙(Ohm's law)에 의해 계산될 수 있다. 또한, 도전성 재료의 기하학적인 치수가 도전성 재료를 에미터로 집적하기 전에 결정되었다면, 도전성 재료의 비저항의 온도 의존 값도 이 방법에 의해 계산될 수 있다. 비저항의 계산을 위한 이 방법은 그것을 포함하는 측정이 접촉 저항에 의해 왜곡될 수 없기 때문에 바람직하다.
섬유 및 매트릭스 재료의 비전도율
비전기 전도율은 도전성 재료를 제조하기 위해 그것들을 사용하기 전에 도전성 섬유(소위 탄소 섬유)에, 및 매트릭스 재료(소위 탄화된 플라스틱 섬유)에 별도의 측정에 의해 결정될 수 있다. 도전성 섬유 없이 매트릭스 재료가, 예를 들어 50g의 플라스틱 섬유(예를 들어 열가소성 폴리머)를 공기가 없는 상태에서 약 60분 동안 약 980℃에서 열처리하는 것에 의해 얻어질 수 있다.
섬유 길이의 분포
섬유 길이는 그것들을 매트로 처리하기 전에 기하학적 수단에 의해 결정될 수 있다. 평균 섬유 길이 및 섬유 길이 분포는 상기 값으로부터 유도될 수 있다. 평균 섬유 길이는 필라멘트가 크기에 맞춰 절삭되는 것 때문에 예측 가능한 방식으로 변한다.
도전성 재료의 유연성
유연성은 도전성 재료를 그것의 전체 길이에 따라 바람직하게 약 0.25 m 내지 1.0 m 반경의 원형으로 굽힘에 의해 결정될 수 있다. 탄소 섬유 및/또는 매트릭스의 파쇄의 부재 그리고/또는 탄소 섬유와 매트릭스의 분리의 부재는 도전성 재료의 유연성의 척도이다. 예를 들어, 도전성 재료는 그것이 반경 0.25 m의 원형 프로파일에 대해 휘어질 수 있는 경우에 특히 유연한 것으로 생각된다. 일정한 반경에서 유연성 테스트를 통과하기 위해서, 도전성 재료는 이전에 그것에 부여된 길어진 형상(extended shape)으로 되돌아 가려는 경향을 항상 가져야 한다.
본 발명의, 특히 본 발명에 따른 방법의, 그리고 그래서 또한 본 발명에 따른 도전성 재료의 제한하지 않는 예시적인 실시형태는 이하에서 보다 상세히 설명된다.
실시예
예시적인 실시형태 1
본 경우에는 필라멘트의 형태로, 도전성 재료를 제조하기 위하여, 이후에 필라멘트가 필요한 치수로 절삭되는 소위 부직(non-woven) 재료가 처음으로 제조된다.
부직 재료는 3-12 mm의 길이로 절단된 탄소 섬유와 대략 같은 크기로 절단된 열가소성 재료, 본 경우에 있어서는 PEEK,로 이루어진 섬유로 구성된다. PET도 마찬가지로 사용될 수 있지만, 그러면 열가소성 섬유에 대한 탄소 섬유의 다른 비율을 선택할 필요가 있을 것이다.
탄소 섬유와 플라스틱 섬유, 본 경우에 있어서 열가소성 섬유의 형태에서,는 그 후에 동시에 그리고 균질하게 표면에 분산된다. 균질한 분산은 예를 들어, 섬유를 풀린 테이프(unreeling tape) 상에 분산시키는 셰이커(shaker)를 사용하여 달성된다. 셰이커는 바람직하게 300 mm의 트랙 폭을 갖는다. 이 문맥에서, 탄소 섬유와 열가소성 섬유는 바람직하게 a) 열가소성 섬유와 탄소 섬유의 분포가 비록 작은 범위에서라도 균질하도록 균질한 밀도로 표면에 분산되고, 그리고 b) 서로 혼합되고 서로 커버(cover)하도록 표면에 분산된다. 탄소 섬유와 플라스틱 섬유는 하나가 다른 것 위에 배치되어 서로 균질하게 혼합되지 않는 구별되는 층을 상기 표면에 형성해서는 안된다. 이 문맥에서, 비록 작은 범위에 있어서 균질한 분포는 바람직하게는 10 mm × 10 mm, 더욱 바람직하게는 4 mm × 4 mm의 표면상에 균질한 분포가 명백하게 되는 것을 의미하는 것이다.
이후의 도전성 재료의 전기적 특성은 이 공정 단계에서 정의된다. 전기 전도도는 이 문맥에서, 그 중에서도 특히, 단위 면적당 중량, 즉 고체화된(consolidated) 재료의 단위 면적당 중량, 단위 면적당 탄소 섬유의 서로 접촉하는 위치의 개수를 통해, 그리고 고체화된 혼합물에서 플라스틱 섬유의 부피 분율을 통해서 조절될 수 있다. 탄소 섬유의 상호 접촉 위치가 더 적게 존재하고 플라스틱 섬유의 분율이 더 높을수록, 도전성 재료의 비저항은 더 높아질 것이다.
그 다음에 고체화된 혼합물은 필요한 경우 건조되고, 그 이후에 열적으로 고체화된다. 고체화 동안, 쏟아져 나온 재료는, 바람직하게 적외선 방사의 방법에 의해 영향을 받은 것으로, 우선 열에 의해 가열된다. 이것은 본 경우에 있어서 열가소성 재료로 구성되는 플라스틱 섬유에 의해 차지되는 혼합물의 분율을 변형할 수 있게 하고, 이것은 압력이 열 공정 바로 이후에 인가되는 고온 롤러(hot rollers) 사이에 함께 압축된다(pressed).
상기 고체화된 시재료(starting material), 소위 고체화된 혼합물,은 그 다음에 원하는 폭과 길이의 필요한 필라멘트를 절삭하기 위해 사용된다.
그 후, 전기적 접촉부(electrical contacts)들이 필라멘트에 부착되고, 필라멘트는 탄화(carbonised)되며, 그리고 그 후 필요에 따라 흑연화(graphitised) 된다.
그 후, 상기 필라멘트는 전기적 리드선(electrical leads)을 구비할 수 있고, 석영 튜브 안으로 도입될 수 있으며, 상기 석영 튜브는 보호 가스 분위기 바람직하게 아르곤이 에미터 튜브 내부에 존재할 수 있도록 적절한 방식으로 폐쇄될 수 있다. 마지막으로, 세라믹 부재와 전기적 리드선이 필요에 따라 외부에 부착된다. 이와 관련하여, 도3에 따른 그림과 설명으로 예시적인 방식을 참고하라.
예시적인 실시형태 2
본 경우에는 필라멘트의 형태로, 도전성 재료를 제조하기 위하여, 이후에 필라멘트가 필요한 치수로 절삭되는 소위 부직(non-woven) 재료가 처음으로 제조된다.
부직 재료는 3-12 mm의 길이로 절단된 탄소 섬유와 대략 같은 크기로 절단된 열가소성 재료, 본 경우에 있어서는 PEEK,로 이루어진 섬유로 구성된다. PET도 마찬가지로 사용될 수 있지만, 그러면 열가소성 섬유에 대한 탄소 섬유의 다른 비율을 선택할 필요가 있을 것이다.
탄소 섬유와 플라스틱 섬유, 본 경우에 있어서 열가소성 섬유의 형태에서,는 그 후에 동시에 그리고 균질하게 표면에 분산된다. 균질한 분산은 예를 들어, 섬유를 풀린 테이프(unreeling tape) 상에 분산시키는 셰이커(shaker)를 사용하여 달성된다. 셰이커는 바람직하게 300 mm의 트랙 폭을 갖는다. 이 문맥에서, 탄소 섬유와 열가소성 섬유는 바람직하게 a) 열가소성 섬유와 탄소 섬유의 분포가 비록 작은 범위에서라도 균질하도록 균질한 밀도로 표면에 분산되고, 그리고 b) 서로 혼합되고 서로 커버(cover)하도록 표면에 분산된다. 탄소 섬유와 플라스틱 섬유는 하나가 다른 것 위에 배치되어 서로 균질하게 혼합되지 않는 구별되는 층을 상기 표면에 형성해서는 안된다. 이 문맥에서, 비록 작은 범위에 있어서 균질한 분포는 바람직하게는 10 mm × 10 mm, 더욱 바람직하게는 4 mm × 4 mm의 표면상에 균질한 분포가 명백하게 되는 것을 의미하는 것이다.
이후의 도전성 재료의 전기적 특성은 이 공정 단계에서 정의된다. 전기 전도도는 이 문맥에서, 그 중에서도 특히, 단위 면적당 중량, 즉 고체화된(consolidated) 재료의 단위 면적당 중량, 단위 면적당 탄소 섬유의 서로 접촉하는 위치의 개수를 통해, 그리고 고체화된 혼합물에서 플라스틱 섬유의 부피 분율을 통해서 조절될 수 있다. 탄소 섬유의 상호 접촉 위치가 더 적게 존재하고 플라스틱 섬유의 분율이 더 높을수록, 도전성 재료의 비저항은 더 높아질 것이다.
고체화된 혼합물은 필요한 경우 그러면 건조되고, 그 이후에 열적으로 건조된다. 고체화 동안, 쏟아져 나온 재료는, 바람직하게 적외선 방사의 방법에 의해 영향을 받은 것으로, 우선 열에 의해 가열된다. 이것은 본 경우에 있어서 열가소성 재료로 구성되는 플라스틱 섬유에 의해 차지되는 혼합물의 분율을 변형할 수 있게 하고, 이것은 압력이 열 공정 바로 이후에 적용되는 고온 롤러(hot rollers) 사이에 함께 압축된다.
상기 고체화된 시재료(starting material), 소위 고체화된 혼합물,은 그 다음에 원하는 폭과 길이의 필요한 필라멘트를 절삭하기 위해 사용된다.
예시적인 실시형태 1의 변형에서, 이 필라멘트들은 다시 가소화되고(plasticised) 열의 방법에 의해 재성형(reshaped)된다. 이것은 테이프(필라멘트)를 국부적으로 잡아 늘이고, 평면의 연장에 있어서도 변형시키는 것을 가능하게 한다. 그래서, 이후의 도전성 재료의 원하는 전기적 특성은 목적된 방식으로 설계될 수 있다.
예시적인 실시형태 2.1
예시적인 실시형태 2의 첫 번째 하위의 예에서, 테이프(필라멘트)는 그 후 테이프의 길이 방향에서 섬유의 바람직한 배향을 가능하게 하기 위하여 세로로 신장된다(stretched). 저항은 기본적으로 전도로(conduction path)의 길이와 탄소 섬유들 사이에 접촉 위치(contact site)의 개수에 의해 정의되기 때문에, 테이프 자체의 저항은 이 문맥에서 기본적으로 변하지 않는다. 그러나, 필라멘트 길이당 비전력(specific electrical power) 출력(통상적으로 W/cm의 단위로 명시된다)은 따라서 변한다.
예시적인 실시형태 2.2
예시적인 실시형태 2의 두 번째 하위의 예에서, 테이프(필라멘트)는 그 후 테이프의 가로 방향에서 섬유의 바람직한 배향을 가능하게 하기 위하여 가로로 신장된다. 테이프의 저항은 이 문맥에서 변하지 않지만, 비(specific)전력 출력(통상적으로 W/cm의 단위로 명시된다)은 따라서 변한다.
(예시적인 실시형태 2.1과 2.2) 양쪽 모두의 경우에 필라멘트에서 균열(fissures)의 형성이나 박리(delamination)가 없다는 것이 확인되어야 한다. 이러한 이유 때문에, 상기 방법은 최대 2배까지 신장되는 것으로 제한되어야 한다.
예시적인 실시형태 2.3
꼬인(twisted) 필라멘트는 본 예시적인 실시형태에 따라 제조된다. 이 목적을 위해, 신장 및 가열된 필라멘트는 적합한 롤러와 가이던스(guidances)의 방법에 의해 내부적으로 꼬인 형태로 변형된다. 나사(screw) 형상은 그것이 냉각된 후 재료 내에서 장력(tension)을 형성하지 않고 유지될 수 있다.
그 다음에, 전기적 접촉부들이 필라멘트에 부착되고, 필라멘트는 탄화된다. 이러한 맥락에서, 꼬인 필라멘트 테이프는 테이프의 꼬인 형상이 풀어지지 않도록 브래킷(brackets)의 수단에 의해 모양이 안정되어 노(furnace) 안에 저장된다. 탄화 후, 필요에 따라 그 다음에 흑연화 될 수 있는, 내부 장력없이 꼬인 테이프가 존재한다.
예시적인 실시형태 2.1과 2.2에 따른 필라멘트는 또한 상기에 설명된 단계에 따라 그리고 상기에 제공된 상세한 설명에 따라 탄화를 겪을 수도 있다.
그 후, 상기 필라멘트는 전기적 리드선(electrical leads)을 구비할 수 있고, 석영 튜브 안으로 도입될 수 있으며, 상기 석영 튜브는 보호 가스 분위기 바람직하게 아르곤이 에미터 튜브 내부에 존재할 수 있도록 적절한 방식으로 폐쇄될 수 있다. 마지막으로, 세라믹 부재와 전기적 리드선이 필요에 따라 외부에 부착된다. 이와 관련하여, 도3에 따른 그림과 설명으로 예시적인 방식을 참고하라.
예시적인 실시형태 3
본 예시적인 실시형태에 따르면, 관통하는(through-going) 탄소 섬유로 추가적으로 강화된 부직(non-woven) 재료가 제조된다. 그 다음에 필요한 크기의 필라멘트는 따라서 제조된 강화된 재료로부터 절단된다.
부직 재료는 3-12 mm의 길이로 절단된 탄소 섬유와 대략 같은 크기로 절단된 열가소성 재료, 본 경우에 있어서는 PEEK,로 이루어진 섬유로 구성된다. PET도 마찬가지로 사용될 수 있지만, 그러면 열가소성 섬유에 대한 탄소 섬유의 다른 비율을 선택할 필요가 있을 것이다.
탄소 섬유와 플라스틱 섬유, 본 경우에 있어서 열가소성 섬유의 형태에서,는 그 후에 동시에 그리고 균질하게 표면에 분산된다. 균질한 분산은 예를 들어, 섬유를 풀린 테이프(unreeling tape) 상에 분산시키는 셰이커(shaker)를 사용하여 달성된다. 셰이커는 바람직하게 300 mm의 트랙 폭을 갖는다. 이 문맥에서, 탄소 섬유와 열가소성 섬유는 바람직하게 a) 열가소성 섬유와 탄소 섬유의 분포가 비록 작은 범위에서라도 균질하도록 균질한 밀도로 표면에 분산되고, 그리고 b) 서로 혼합되고 서로 커버(cover)하도록 표면에 분산된다. 탄소 섬유와 플라스틱 섬유는 하나가 다른 것 위에 배치되어 서로 균질하게 혼합되지 않는 구별되는 층을 상기 표면에 형성해서는 안된다. 이 문맥에서, 비록 작은 범위에 있어서 균질한 분포는 바람직하게는 10 mm × 10 mm, 더욱 바람직하게는 4 mm × 4 mm의 표면상에 균질한 분포가 명백하게 되는 것을 의미하는 것이다.
이후의 도전성 재료의 전기적 특성은 이 공정 단계에서 정의된다. 전기 전도도는 이 문맥에서, 그 중에서도 특히, 단위 면적당 중량, 즉 고체화된(consolidated) 재료의 단위 면적당 중량, 단위 면적당 탄소 섬유의 서로 접촉하는 위치의 개수를 통해, 그리고 고체화된 혼합물에서 플라스틱 섬유의 부피분율을 통해서 조절될 수 있다. 탄소 섬유의 상호 접촉 위치가 더 적게 존재하고 플라스틱 섬유의 분율이 더 높을수록, 도전성 재료의 비저항은 더 높아질 것이다.
그 다음에 상기의 부직 재료는 부직 재료의 하나 또는 양쪽의 면에 탄소 섬유의 하나 또는 그 이상의 층의 적용을 통해, 탄소 섬유 하나 또는 그 이상의 층을 통해 강화된다. 탄소 섬유의 한 층은 섬유들이 더 큰 표면상에 서로 대체로 평행(largely parallel)하게 분포되도록, 넓은(broad), 촘촘한(fine) 빗(comb)을 통해 하나 이상의 탄소 섬유 조방사(rovings)를 가이드 하는 것에 의해서 제조된다. 따라서 얻어진 탄소 섬유 층은, 그 두께가 서로 겹쳐서 배치되는 단일 또는 몇몇 탄소 섬유의 결과인, 그 폭에 걸쳐 보이는, 서로 옆에 배치되는 많은 섬유들을 갖는다.
그 다음에, 필요한 경우 혼합물은 건조되고, 그 후 열적으로 고체화된다. 고체화 동안에, 쏟아져 나온 재료와 그 아래 및 위에 위치할 수 있는 탄소 섬유들은 처음 가열(바람직하게는 적외선 방사에 의해)되며, 그것은 본 경우에 있어서 열가소성 재료로 구성되는 플라스틱 섬유의 분율을 변형할 수 있게 하고, 그리고 이것은 압력이 열 공정 바로 이후에 적용되는 고온 롤러(hot rollers) 사이에 함께 압축된다.
그 다음에 상기 시재료는 원하는 폭과 길이로 필라멘트를 절삭하기 위해 사용된다.
추가 공정은 예시적인 실시형태 1과 유사하지만, 당기는 방향에 대해 강화하는 탄소 섬유의 평행 방향에 특별한 노력(diligence)이 기울여져야 한다. 또한, 길이 방향으로 절단하는 것은 강화하는 탄소 섬유 조방사(rovings)에 정확하게 평행으로 진행해야 한다.
예시적인 실시형태 4
본 경우에는 필라멘트의 형태로, 도전성 재료를 제조하기 위하여, 이후에 관통하는(through-going) 탄소 섬유로 강화되는 소위 부직(non-woven) 재료가 처음 제조된다. 그 다음에 필요한 크기의 필라멘트들이 따라서 제조된 강화된 재료로부터 절단된다.
부직 재료는 3-12 mm의 길이로 절단된 탄소 섬유와 대략 같은 크기로 절단된 열가소성 재료, 본 경우에 있어서는 PEEK,로 이루어진 섬유로 구성된다. PET도 마찬가지로 사용될 수 있지만, 그러면 열가소성 섬유에 대한 탄소 섬유의 다른 비율을 선택할 필요가 있을 것이다.
탄소 섬유와 플라스틱 섬유, 본 경우에 있어서 열가소성 섬유의 형태에서,는 그 후에 동시에 그리고 균질하게 표면에 분산된다. 균질한 분산은 예를 들어, 섬유를 풀린 테이프(unreeling tape) 상에 분산시키는 셰이커(shaker)를 사용하여 달성된다. 셰이커는 바람직하게 300 mm의 트랙 폭을 갖는다. 이 문맥에서, 탄소 섬유와 열가소성 섬유는 바람직하게 a) 열가소성 섬유와 탄소 섬유의 분포가 비록 작은 범위에서라도 균질하도록 균질한 밀도로 표면에 분산되고, 그리고 b) 서로 혼합되고 서로 커버(cover)하도록 표면에 분산된다. 탄소 섬유와 플라스틱 섬유는 하나가 다른 것 위에 배치되어 서로 균질하게 혼합되지 않는 구별되는 층을 상기 표면에 형성해서는 안된다. 이 문맥에서, 비록 작은 범위에 있어서 균질한 분포는 바람직하게는 10 mm × 10 mm, 더욱 바람직하게는 4 mm × 4 mm의 표면상에 균질한 분포가 명백하게 되는 것을 의미하는 것이다.
이후의 도전성 재료의 전기적 특성은 이 공정 단계에서 정의된다. 전기 전도도는 이 문맥에서, 그 중에서도 특히, 단위 면적당 중량, 즉 고체화된 재료의 단위 면적당 중량, 단위 면적당 탄소 섬유의 서로 접촉하는 위치의 개수를 통해, 그리고 고체화된 혼합물에서 플라스틱 섬유의 부피분율을 통해서 조절될 수 있다. 탄소 섬유의 상호 접촉 위치가 더 적게 존재하고 플라스틱 섬유의 분율이 더 높을수록, 도전성 재료의 비저항은 더 높아질 것이다.
그 다음에 상기의 부직 재료는 부직 재료의 하나 또는 양쪽의 면에 탄소 섬유의 하나 또는 그 이상의 층의 적용을 통해, 탄소 섬유 하나 또는 그 이상의 층을 통해 강화된다. 탄소 섬유의 한 층은 섬유들이 더 큰 표면상에 서로 대체로 평행하게 분포되도록, 넓은(broad), 촘촘한(fine) 빗(comb)을 통해 하나 또는 그 이상의 탄소 섬유 조방사(rovings)를 가이드 하는 것에 의해서 제조된다. 따라서 얻어진 탄소 섬유 층은, 그 두께가 서로 겹쳐서 배치되는 단일 또는 몇몇 탄소 섬유의 결과인, 그 폭에 걸쳐 보이는, 서로 옆에 배치되는 많은 섬유들을 갖는다.
이러한 맥락에서, 탄소 섬유들은 얇은 층으로서 균일하게 분포되거나 또는 특정 위치에서 낮은 섬유 개수의 조방사로서 목표된 방식에 위치되는 것에 사용될 수 있다.
첫 번째 바람직한 실시형태에 따르면, 60 mm의 폭에 걸쳐 조방사(roving)당 12,000개의 섬유들을 갖는 조방사(12k 조방사)를 퍼뜨리는 것이 유리하다고 입증되었다. 이것은 재료를 당겨서 증가된 저항 및 필라멘트 전도도의 여전히 약간 증가의 이상적인 조합을 달성한다.
두 번째 실시형태에서, 조방사당 1,000개의 섬유들을 갖는 조방사(1k 조방사)가 두 개의 조방사가 이후의 필라멘트의 폭에 최소한 위치하도록 바람직하게 퍼뜨려 질 수 있다. 이 문맥에서 조방사들의 거리는 필라멘트의 기하학적 구조에 의해 정의된다. 폭 10 mm의 필라멘트를 예를 들면, 필라멘트의 왼쪽 끝으로부터 하나의 조방사는 2 mm의 거리에, 그리고 하나의 조방사는 8 mm의 거리에 위치한다. 이것은 재료를 당겨서 증가된 저항 및 필라멘트 전도도의 여전히 약간 증가의 이상적인 조합을 달성한다.
그 다음에, 필요한 경우 혼합물은 건조되고, 그 후 열적으로 고체화된다. 고체화 동안에, 쏟아져 나온 재료와 그 아래 및 위에 위치할 수 있는 탄소 섬유들은 처음 가열(바람직하게는 적외선 방사에 의해)되며, 그것은 본 경우에 있어서 열가소성 재료로 구성되는 플라스틱 섬유의 분율을 변형할 수 있게 하고, 그리고 이것은 압력이 열 공정 바로 이후에 적용되는 고온 롤러(hot rollers) 사이에 함께 압축된다.
그 다음에 상기 시재료는 원하는 폭과 길이로 필라멘트를 절삭하기 위해 사용된다.
추가 공정은 예시적인 실시형태 1과 유사하지만, 당기는 방향에 대해 강화하는 탄소 섬유의 평행 방향에 특별한 노력(diligence)이 기울여져야 한다. 또한, 길이 방향으로 절단하는 것은 강화하는 탄소 섬유 조방사(rovings)에 정확하게 평행으로 진행해야 한다.
예시적인 실시형태 5
필라멘트를 제조하기 위해, 관통하는(through-going) 탄소 섬유로 추가적으로 강화된 부직(non-woven) 재료가 제조된다. 그 다음에 원하는 크기의 필라멘트가 따라서 제조된 강화된 재료로부터 절단된다.
부직 재료는 3-12 mm의 길이로 절단된 탄소 섬유와 대략 같은 크기로 절단된 열가소성 재료, 본 경우에 있어서는 PEEK,로 이루어진 섬유로 구성된다. PET도 마찬가지로 사용될 수 있지만, 그러면 열가소성 섬유에 대한 탄소 섬유의 다른 비율을 선택할 필요가 있을 것이다.
탄소 섬유와 플라스틱 섬유, 본 경우에 있어서 열가소성 섬유의 형태에서,는 그 후에 동시에 그리고 균질하게 표면에 분산된다. 균질한 분산은 예를 들어, 섬유를 풀린 테이프(unreeling tape) 상에 분산시키는 셰이커(shaker)를 사용하여 달성된다. 셰이커는 바람직하게 300 mm의 트랙 폭을 갖는다. 이 문맥에서, 탄소 섬유와 열가소성 섬유는 바람직하게 a) 열가소성 섬유와 탄소 섬유의 분포가 비록 작은 범위에서라도 균질하도록 균질한 밀도로 표면에 분산되고, 그리고 b) 서로 혼합되고 서로 커버(cover)하도록 표면에 분산된다. 탄소 섬유와 플라스틱 섬유는 하나가 다른 것 위에 배치되어 서로 균질하게 혼합되지 않는 구별되는 층을 상기 표면에 형성해서는 안된다. 이 문맥에서, 비록 작은 범위에 있어서 균질한 분포는 바람직하게는 10 mm × 10 mm, 더욱 바람직하게는 4 mm × 4 mm의 표면상에 균질한 분포가 명백하게 되는 것을 의미하는 것이다.
이후의 도전성 재료의 전기적 특성은 이 공정 단계에서 정의된다. 전기 전도도는 이 문맥에서, 그 중에서도 특히, 단위 면적당 중량, 즉 고체화된 재료의 단위 면적당 중량, 단위 면적당 탄소 섬유의 서로 접촉하는 위치의 개수를 통해, 그리고 고체화된 혼합물에서 플라스틱 섬유의 부피 분율을 통해서 조절될 수 있다. 탄소 섬유의 상호 접촉 위치가 더 적게 존재하고 플라스틱 섬유의 분율이 더 높을수록, 도전성 재료의 비저항은 더 높아질 것이다.
그 다음에 고체화된 혼합물은 필요한 경우 건조되고, 그 이후에 열적으로 고체화된다. 고체화 동안, 쏟아져 나온 재료는, 바람직하게 적외선 방사의 방법에 의해 영향을 받은 것으로, 우선 열에 의해 가열된다. 이것은 본 경우에 있어서 열가소성 재료로 구성되는 플라스틱 섬유에 의해 차지되는 혼합물의 분율을 변형할 수 있게 하고, 이것은 압력이 열 공정 바로 이후에 적용되는 고온 롤러 사이에 함께 압축된다.
탄소 섬유의 하나 또는 그 이상의 층은 이제, 섬유들이 더 큰 표면상에 서로 대체로 평행하게 분포되도록, 넓은(broad), 촘촘한(fine) 빗(comb)을 통해 하나 또는 그 이상의 탄소 섬유 조방사(rovings)를 가이드 하는 것에 의해 상기 부직 재료로 만들어진 층들 사이에 도입된다. 따라서 얻어진 탄소 섬유 층은, 그 두께가 서로 겹쳐서 배치되는 단일 또는 몇몇 탄소 섬유의 결과인, 그 폭에 걸쳐 보이는, 서로 옆에 배치되는 많은 섬유들을 갖는다.
따라서 배치된 재료는 그 다음에 다시 열 고체화를 겪는다.
그 다음에 상기 시재료는 필요한 폭과 길이로 필라멘트를 절삭하기 위해 사용된다.
추가 공정은 예시적인 실시형태 1과 유사하지만, 당기는 방향에 대해 강화하는 탄소 섬유의 평행 방향에 특별한 노력(diligence)이 기울여져야 한다. 또한, 길이 방향으로 절단하는 것은 강화하는 조방사에 정확하게 평행으로 진행해야 한다.
1. 혼합물(Mixture)
2. 이차원 매트(two-dimensional mat)
3. 탄소 섬유(carbon fibre)
4. 플라스틱 섬유(plastic fibre)
5. 도전성 재료(electrically conductive material)
6. 매트릭스(matrix)
7. 필라멘트(filament)
8. 길이 연장의 방향(direction of longitudinal extension)
9. 전류의 방향(direction of current flow)
10. 탄소 섬유의 접촉 위치(contact sites of carbon fibres)
11. 단면(sectional plane)
12. 에미터(emitter)
13. 하우징(housing)
14. 접촉 소자(contact element)
15. 전기적 리드선(electrical lead)
16. 보상 소자(compensation element)

Claims (14)

  1. 도전성 재료(5)의 제조 방법으로서 다음의 단계들을 포함하는 도전성 재료의 제조 방법:
    a. 탄소 섬유(3)를 제공하는 단계;
    b. 탄소 섬유(3)와는 다른 플라스틱 섬유(4)를 제공하는 단계;
    c. 탄소 섬유(3) 및 플라스틱 섬유(4)로부터 이차원 매트(2) 형태의 혼합물(1)을 제조하는 단계;
    d. 적용 가능하다면, 혼합물(1)을 건조하는 단계;
    e. 혼합물(1)을 고체화하는 단계;
    f. 적용 가능하다면, 혼합물(1)을 크기에 맞춰 절단하는 단계;
    g. 탄화된 플라스틱 섬유(4)가 탄소계(carbon-based)의, 최소한 부분적으로 탄소 섬유(3)를 감싸는 전기 전도성을 갖는 매트릭스(6)를 형성하도록, 혼합물을 탄화하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 혼합물(1)에 대한 탄소 섬유(3)의 질량 분율이 1 질량％ 내지 70 질량％인 도전성 재료의 제조 방법.
  3. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 혼합물(1)의 단위 면적당 섬유 무게가 75 g/m2 내지 500 g/m2인 도전성 재료의 제조 방법.
  4. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 혼합물(1) 내에서 탄소 섬유(3)와 플라스틱 섬유(4)의 길이가 탄소 섬유(3)의 길이에 대해 최대 50％만큼 차이가 나는 도전성 재료의 제조 방법.
  5. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 혼합물(1) 내에서 탄소 섬유(3) 또는 플라스틱 섬유(4) 또는 둘 다의 길이가 3 mm 내지 30 mm인 도전성 재료의 제조 방법.
  6. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 플라스틱 섬유(4)는 열가소성 재료를 포함하는 도전성 재료의 제조 방법.
  7. 선행하는 항에 있어서, 열가소성 재료는 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 또는 폴리이미드(PI) 또는 이들 중 적어도 2개의 혼합물을 함유하는 도전성 재료의 제조 방법.
  8. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 듀로플라스틱(duroplastic) 재료로 이루어진 다른 플라스틱 섬유(4)가 열가소성 재료로 이루어진 플라스틱 섬유(4)에 더하여 사용되는 도전성 재료의 제조 방법.
  9. 다음을 포함하는 합성물을 포함하는 도전성 재료(5):
    a. 첫 번째 탄소 섬유(3)와 추가의 탄소 섬유(3); 그리고
    b. 매트릭스(6)의 전기 전도도가 탄소 섬유(3)의 것보다 낮은, 부분적으로 첫 번째 탄소 섬유(3)와 추가의 탄소 섬유(3) 각각을 둘러싸는 매트릭스(6);
    로서, 합성물을 통한 단면(11)에 대해, 상기 단면(11)을 통해 연장하는 탄소 섬유(3)의 총 개수의, 상기 단면(11)을 통해 연장하는 탄소 섬유(3)의 20％ 이상이 같은 단면(11)을 통해 연장하는 다른 어떤 탄소 섬유(3)와도 접촉하지 않는, 도전성 재료.
  10. 제9항에 있어서, 단면(11)은 재료를 통한 전류의 가능한 방향(9)에 수직이 되도록 배향이 되는, 도전성 재료.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 다음의 특성들:
    ⅰ. 매트릭스(6)는 정의된 비전기 전도율(specific electrical conductivity)을 갖는다;
    ⅱ. 매트릭스(6)는 탄소 섬유(3)의 배향을 정의한다;
    ⅲ. 매트릭스(6)는 탄소 섬유들(3) 사이의 접촉 위치(10)의 특정 수를 정의한다;
    ⅳ. 탄소 섬유(3)는 재료(5)를 통한 전류의 흐름이 적어도 매트릭스(6)의 부분 영역을 통해 진행하는 것이 강제되도록 적절한 방식으로 매트릭스(6) 내에 분포 및/또는 배향된다,
    중 적어도 하나를 갖는, 도전성 재료.
  12. 에미터(12)로서, 다음을 포함하는:
    a. 투명한 또는 반투명한 하우징(13);
    b. 상기 하우징(13) 내에 배치되는 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 도전성 재료(5),
    에미터.
  13. 제12항에 있어서, 도전성 재료(5)가 탄소 섬유(3) 및/또는 매트릭스(6)를 파쇄하지 않고, 그리고/또는 탄소 섬유(3)와 매트릭스(6)를 분리하지 않고, 1.0 m, 바람직하게는 0.25 m의 반경에 대해 원형으로 및 그 전체 길이에 걸쳐, 굽혀질 수 있도록 도전성 재료(5)가 적당한 유연성을 갖는 에미터.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 도전성 재료(5)의 단위 길이당 전기적 동작 전압(operating voltage)으로서 측정된, 도전성 재료(5)의 전기 전도도는 150 V/m를 초과하는 에미터.

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