KR20160132019A - 전도성 중합체 재료 - Google Patents

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KR20160132019A
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polymer
continuous phase
conductive material
conductive
particles
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KR1020167024478A
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데이비드 티 유스트
오누르 시난 요르뎀
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명은 제1 연속성 상, 제2 연속성 상 및 비-연속성 상을 포함하는 용융-가공성 전도성 재료를 개시한다. 제1 연속성 상은 제1 중합체를 포함하고, 제2 연속성 상은 제2 중합체를 포함하고, 비-연속성 상은 제3 중합체를 포함한다. 제2연속성 상은 제1 연속성 상과 공-연속성이며, 상기 비-연속성 상은 실질적으로 제1 연속성 상 내에 포함된다. 복수의 전도성 입자는 제1 중합체 내에 또는 제1 연속성 상 및 제2 연속성 상 사이의 경계에 분포된다. 전도성 입자는 전도성 네트워크를 형성한다.

Description

전도성 중합체 재료{CONDUCTIVE POLYMERIC MATERIAL}
중합체는 삼출(percolation)을 일으키기에 충분한 양으로 전도성 입자를 중합체에 첨가함으로써 전도성으로 될 수 있다. 상이한 중합체는 종종 서로 비혼화성이다. 비혼화성 중합체는 함께 블렌드되어 공-연속성(co-continuous) 블렌드를 형성할 수 있고, 전도성 입자를 이러한 블렌드에 첨가하여 그 블렌드를 전도성으로 만들 수 있다. 그러한 충전된 공-연속성 블렌드는 단일 상 계에 비하여 더욱 낮은 농도의 전도성 입자로 전도성을 일으킬 수 있다. 그러나, 그러한 재료는 종종 용융-가공성이 아니고, 많은 응용분야에 대해 너무 높은 강성을 종종 갖는다. 따라서, 용융-가공성인 낮은 강성의 전도성 블렌드에 대한 요구가 존재한다.
본 개시 내용에 따른 전도성 재료는 제1 연속성 상, 제2 연속성 상 및 비-연속성 상을 포함한다. 제1 연속성 상은 제1 중합체를 포함하고, 제2 연속성 상은 제2 중합체를 포함하고, 비-연속성 상은 제3 중합체를 포함한다. 제2연속성 상은 제1 연속성 상과 공-연속성이며, 비-연속성 상은 실질적으로 제1 연속성 상 내에 포함된다. 복수의 전도성 입자는 제1 중합체 내에 또는 제1 연속성 상 및 제2 연속성 상 사이의 경계에 분포된다. 전도성 입자는 전도성 네트워크를 형성하고, 전도성 재료는 용융-가공성이다.
본 개시 내용에 따른 물품의 제조 방법은, 제1 중합체, 제2 중합체 및 제3 중합체를, 제1 중합체, 제2 중합체 및 제3 중합체가 서로 비혼화성이도록 선택하는 단계; 제1 중합체를 복수의 전도성 입자와 혼합함으로써 중합체 복합체를 형성하는 단계; 중합체 복합체, 제2 중합체 및 제3 중합체를 블렌딩하여 전도성 재료를 형성하는 단계; 및 전도성 재료를 압출하는 단계를 포함한다. 전도성 재료는 제1 중합체를 포함하는 제1 연속성 상, 제2 중합체를 포함하고 제1 연속성 상과 공-연속성인 제2 연속성 상, 및 제3 중합체를 포함하는 비-연속성 상을 포함한다. 전도성 입자는 전도성 네트워크를 형성한다.
첨부 도면은 본 명세서에 포함되어 그의 일부를 구성하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 이점 및 원리를 설명한다. 도면에서,
도 1은 전도성 재료의 도식적 단면도;
도 2는 전도성 재료의 TEM 이미지;
도 3은 도 2의 전도성 재료의 확대된 TEM 이미지;
도 4는 전도성 재료의 TEM 이미지;
도 5는 전도성 재료의 TEM 이미지;
도 6은 노출된 전극 및 수직의 버스 바(bus bar)를 갖는 다층의 서로 맞물린(interdigitated) 전극 필름의 단면도;
도 7은 수평의 버스 바를 갖는 다중래인(mulilane)의 서로 맞물린 전극 필름의 단면도;
도 8은 전도성 재료를 포함하는 물품 제조를 위한 계의 도해이다.
전도성 중합체는 카본 블랙과 같은 전도성 입자를, 이를 첨가하지 않는다면 비-전도성인 중합체에 첨가함으로써 제조될 수 있다. 삼출 역치(percolation threshold)로서 알려진 소정 농도 초과에서, 전도성 입자는 전도성 네트워크를 형성하여 전도성 중합체 복합체를 결과로서 생성할 것이다. 입자가 두 개의 공-연속성 상을 갖는 중합체 블렌드에 첨가되는 경우, 입자는 하나 또는 다른 하나의 상에 또는 두 개의 상 사이의 계면에 대부분 존재할 수 있다. 입자의 농도가 충분히 높은 경우, 입자의 연속적인 네트워크가 중합체 블렌드 내에 형성될 수 있다. 이는 이중 삼출로서 지칭된다: 주요 상의 중합체 내에서 보다 적은 상의 중합체의 삼출 및 연속적인 네트워크를 형성하는 입자의 삼출. 그러나, 전도성 입자가 유용한 전도성을 제공하기에 충분히 높은 농도로 이러한 형태의 알려진 중합체 복합체에 첨가되는 경우, 이 중합체 복합체는 복합체가 용융-가공되는 것을 가능하게 하는 용융-흐름성 특징을 갖지 않으며, 종종 많은 응용 분야에 대해 너무 높은 모듈러스(modulus)를 갖는다. 그러나, 본 발명의 설명에 따르면, 전도성 입자를 포함하는 상 내에 비-연속성 상을 형성하는 제3 중합체의 첨가는, 유용한 전도성을 갖는 동시에 용융-가공성이며, 일부 실시 형태에서는 낮은 모듈러스를 갖는 복합체 재료가 생산되는 것을 가능하게 한다는 것이 발견되었다.
상이한 중합체는 비혼화성인 경우가 종종 있다. 이는 혼합 중합체와 관련된 혼합의 낮은 엔트로피(entropy) 측면에서 보통 이해된다. 일부 경우들에서, 상이한 중합체들 간의 소정의 분자간 상호작용 (예를 들어, 수소 결합)은 그 중합체가 소정의 농도 및 온도 범위에서 혼화성이 되도록 할 수 있다. 그러나, 비혼화성 블렌드가 바람직한 경우, 혼화성을 야기하는 상호작용을 갖지 않는 상이한 중합체가, 혼화성 표, 상이한 중합체의 성분(moiety) 사이의 알려진 상호작용, 용해도 파라미터 등을 기준으로, 선택될 수 있다.
제1 중합체 및 제2 중합체의 비혼화성 블렌드 내 제1 중합체의 부피 분율이 낮은 경우, 제1 중합체는 제2 중합체 내에 분리된 영역을 형성할 수 있다. 이 경우, 제1 중합체는 비연속성 상을 형성하고, 제2 중합체는 연속성 상을 형성할 수 있다. 제1 중합체의 부피 분율의 증가는 종종 제1 중합체의 삼출을 결과로서 일으킬 것이며, 이에 의해 비연속성 상보다는 연속성 상이 형성된다. 이 경우, 제1 및 제2 중합체는 두 개의 상호침투(interpenetrating) 공-연속성 상을 형성한다.
제3의 상이한 중합체의 두 개의 상이한 중합체의 블렌드로의 첨가는 종종 제3 상 블렌드를 결과로서 생성할 것이다. 3 상 블렌드가 바람직한 경우, 3 개의 서로 비혼화성인 상이한 중합체는 비혼화성인 2 상 블렌드에 대해 설명된 방식으로 선택될 수 있다. 제3 중합체의 부피 분율이 낮은 경우, 제3 중합체는 주로 제1 또는 제2 중합체 내에 비연속성 상을 종종 형성할 것이다. 제3 중합체가 제1 중합체 내 또는 제2 중합체 내에 또는 상기 둘의 조합 내에 주로 존재할지의 여부는 중합체 분자 간 서로의 상호작용에 의해 결정된다. 본 발명의 설명의 많은 실시 형태에서, 별개의 제1, 제2 및 제3 중합체는, 제1 및 제2 중합체가 공-연속성이어서, 제3 중합체는 제1 중합체 내에서 실질적으로 비연속적 영역을 형성하도록 선택된다.
열역학적으로 제1 중합체 내에 비-연속성 상을 형성하는 제3 중합체가 크게 선호되는 경우, 세 개의 중합체는 단일 단계에서 함께 혼합될 수 있고, 혼합 동안 제3 중합체는 제1 중합체 내로 이동될 것이다. 다른 경우에서, 제3 중합체가 먼저 제1 중합체와 함께 블렌드되고, 제1 및 제3 중합체의 블렌드가 그 후 제2 중합체 내에 순차적으로 블렌드될 수 있다.
그러한 3 개의 중합체 블렌드는 전도성 입자를 그 블렌드에 첨가시킴으로써 전도성으로 될 수 있다. 본 발명의 설명의 많은 실시 형태에서, 전도성 입자는, 입자가 제1 중합체 내에 또는 제1 및 제2 중합체 사이의 계면에 실질적으로 지급되도록 선택된다. 전도성 입자의 위치는 입자와 중합체 사이의 상호작용에 의해 결정된다. 그러한 상호작용은 입자에 적용된 적합한 표면 처리에 의해 변경될 수 있다.
열역학적으로 제1 중합체 내에 또는 제1 및 제2 중합체 사이의 계면에 네트워크를 형성하는 전도성 입자가 크게 선호되는 경우, 전도성 입자는 단일 단계에서 중합체와 혼합될 수 있고, 전도성 입자는 혼합 동안 제1 중합체 내로 이동되거나 제1 중합체 및 제2 중합체 사이의 계면으로 이동될 것이다. 다른 경우에서, 제1 중합체 내 또는 제1 및 제2 중합체 사이의 계면에서 전도성 입자의 분포는 전도성 입자의 제1 중합체와의 제1 혼합 및 그 후 이 혼합물을 다른 두 개의 중합체와 함께 블렌딩함으로써 보조될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 중합체는 전도성 입자와 먼저 혼합되고, 제1 중합체와 전도성 입자의 혼합물은 그 후 이후의 단일 단계에서 제2 및 제3 중합체와 블렌드된다. 다른 실시 형태에서, 제1 중합체는 먼저 전도성 입자와 혼합되고, 제1 중합체 및 전도성 입자의 혼합물은 제3 중합체와 순차적으로 블렌드되고, 그 후 이 블렌드는 제2 중합체와 순차적으로 블렌드된다. 일부 실시 형태에서, 전도성 입자는 제1 중합체와의 상용성을 개선하기 위하여 표면 처리된다.
도 1은 전도성 재료 (100)의 도식적 단면도이다. 도 1은 제2 연속성 상 (120)과 공-연속성인 제1 연속성 상 (110)을 보여준다. 제1 연속성 상 (110)은 제1 중합체를 포함하고, 제2 연속성 상 (120)은 제1 중합체와 상이한 제2 중합체를 포함한다. 복수의 전도성 입자 (160)는 제1 연속성 상 (110) 내에 지급된다. 비-연속성 상 (130)은 제1 중합체와 상이하고, 제2 중합체와 상이한 제3 중합체를 포함한다. 비-연속성 상 (130)은 제1 연속성 상 내에 실질적으로 포함된다. 일부 실시 형태에서, 제1 연속성 상은 더 적은 연속성 상이며; 즉, 제1 연속성 상의 부피 분율이 50% 미만이다. 일부 실시 형태에서, 제2 연속성 상은 부피 분율이 50% 초과인 주 연속성 상이다. 다른 실시 형태에서, 제1 연속성 상은 주 연속성 상이고, 제2 연속성 상은 더 적은 연속성 상이다. 여전히 또 다른 실시 형태에서, 제1 연속성 상 및 제2 연속성 상은 거의 균등한 부피 분율을 갖는다.
전도성 입자 (160) (도 1에 도식적으로 나타냄)는 삼출이 달성되기에 충분히 높은 부하로 포함된다. 삼출이 일어나는데 요구되는 입자의 최소 양은 삼출 역치로서 알려져 있다. 비-연속성 상의 존재는, 제1 연속성 상 (110)의 부피를 감소시킴으로써 삼출 역치를 감소시키고, 이에 의해 제1 중합체 내 전도성 입자의 농도를 증가시킨다. 일부 실시 형태에서, 전도성 입자 (160)는 도 1에 나타낸 바와 같이 제1 중합체 내에 분포된다. 다른 실시 형태에서, 전도성 입자는 제1 및 제2 연속성 상 사이의 계면에서 또는 계면 가까이에 위치된다. 그러한 경우에서, 전도성 입자는 더욱 작은 영역에 집중되기 때문에 삼출 역치가 낮아질 수 있다.
전도성 재료의 물성은 종종 전도성 입자의 부하에 따라 달라지기 때문에, 감소된 삼출 역치는 그렇지 않으면 쉽게 달성가능할지 않을 수 있는 물성을 갖는 전도성 재료가 생산되는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 설명에서, 중합체 및 전도성 입자는 전도성 재료가 용융-가공성이 되도록 선택될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은, "용융-가공성" 재료는, 재료가 용융-가공될 수 있도록 하는 용융-흐름 특징을 갖는 중합체 또는 중합체 복합체를 지칭한다. 예를 들어, 용융-가공성 재료는 사출 성형에서의 사용에 적합하다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은, "압출성(extrudable) 재료"는 다이 또는 기타 압출 성분을 통하여 압출될 수 있는 용융-가공성 재료를 지칭한다. 많은 실시 형태에서, 본 발명의 설명의 전도성 재료는 압출성이다. 중합체 및 전도성 입자는, 전도성 재료로 제조된 필름 또는 기타 물품이 유연성이고 신장성이 되도록 선택될 수 있다. 전도성 재료의 순응(compliance)은, 전단 모듈러스의 실수부 (G') 및 허수부 (G")와 같은 각종 모듈러스 측면에서 설명될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 탄성 전단 모듈러스는 20 ℃ 및 1 ㎐의 진동수에서 전단 모듈러스의 실수부 G′를 지칭한다. 일부 실시 형태에서, 전도성 재료는 약 1 GPa 미만, 약 100 MPa 미만, 약 50 MPa 미만, 약 30 MPa 미만, 약 20 MPa 미만, 약 10 MPa 미만, 또는 약 5 MPa 미만의 탄성 전단 모듈러스를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 전도성 재료는 약 1 MPa 초과 또는 약 5 MPa 초과의 탄성 전단 모듈러스를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 전도성 재료는 5 MPa 내지 50 MPa 범위 또는 5 MPa 내지 30 MPa 범위의 탄성 전단 모듈러스를 갖는다.
많은 실시 형태에서, 중합체는 제1 및 제2 중합체가 비혼화성이고, 제1 및 제3 중합체가 비혼화성이도록 선택된다. 많은 실시 형태에서, 중합체는 제1, 제2 및 제3 중합체가 서로 비혼화성 (즉, 제1 및 제2 중합체가 비혼화성, 제1 및 제3 중합체가 비혼화성, 및 제2 및 제3 중합체가 비혼화성)이도록 선택된다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제3 중합체는 제2 및 제3 중합체보다 더욱 낮은 비혼화성도를 갖는다. 많은 실시 형태에서, 제1, 제2 및 제3 중합체는 각각 압출성 열가소성 수지이다. 제1, 제2 및 제3 중합체에 적합한 재료로는 아크릴로니트릴 부타다이엔 스티렌 (ABS), 아크릴, 셀룰로오스 화합물, 환형 올레핀 공중합체 (COC), 다우 케미칼(Dow Chemical)에 의해 인퓨즈(INFUSE)라는 상표명 하에 판매되는 것들과 같은 올레핀 블록 공중합체, 에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA), 에틸렌 비닐 알코올 (EVOH), 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌 (PE), 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 폴리카보네이트 (PC), 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK), 폴리에틸렌이민 (PEI), 폴리스티렌 (PS), 폴리비닐 클로라이드 (PVC), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)과 같은 플루오로중합체, 폴리설폰, 스티렌 아크릴로니트릴 (SAN), 실리콘 탄성중합체, 아크릴 탄성중합체, 메타크릴레이트 공중합체, 폴리우레탄, 폴리부타다이엔, 열가소성 탄성중합체, 폴리부타다이엔-아크릴로니트릴 공중합체, 크라톤 폴리머스(KRATON Polymers)에 의해 크라톤(KRATON)이라는 상표명 하에 판매되는 스티렌 에틸렌 부타다이엔 스티렌과 같은 스티렌계 공중합체, 및 이의 조합이 포함된다.
일부 실시 형태에서, 제1 중합체는 스티렌계 공중합체이다. 일부 실시 형태에서, 제2 중합체는 열가소성 탄성중합체이고, 실리콘계 중합체 또는 공중합체일 수 있고, 실리콘 폴리옥사미드를 포함하는 중합체 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제2 중합체는 폴리다이오가노실록산 폴리옥사미드를 포함하는 실리콘 폴리옥사미드 재료를 포함한다. 적합한 실리콘 폴리옥사미드 재료가 미국 특허 제7,371,464호 (셔만(Sherman), 등), 제7,947,376호 (셔만, 등), 제8,067,094호 (벤손(Benson), 등), 제7,705,101호 (셔만, 등), 제7,915,370호 (셔만, 등), 제8,063,166호 (셔만, 등), 제8,361,626호 (셔만, 등) 및 미국 특허 출원 공보 번호 제2008/0318065호 (셔만, 등)에 설명되어 있으며, 이들 모두는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 일부 실시 형태에서, 실리콘 폴리옥사미드 중합체는 10,000-20,000 범위의 분자량을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 제3 중합체는 LDPE, PP, PP 아이오노머, 올레핀 블록 공중합체, 또는 메타크릴레이트 공중합체를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은, 입자는 임의의 입자성(particulate) 충전제를 지칭하며, 그러한 입자는 다음 형태: 구형 또는 비구면형, 플레이크(flake), 전선 또는 위스커(whisker) 형태, 막대-형태, 혈소판 형태, 또는 기타 형태를 가질 수 있다. 전도성 입자는 카본 블랙, 탄소 섬유, 아세틸렌 블랙, 그래핀 입자, 단일-벽 또는 다중-벽 탄소 나노튜브, 은, 구리 또는 금 플레이크 또는 은, 구리 또는 금 나노입자와 같은 금속성 입자, 또는 이의 조합일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전도성 입자는 1 마이크로미터(micron)보다 적어도 한 치수(dimension) 미만인 나노입자이다. 일부 실시 형태에서, 전도성 입자는 10 - 500 nm의 범위 또는 10 - 100 nm의 범위 내 적어도 하나의 치수를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 전도성 입자의 전도성은 약 1 S/cm 초과, 약 10 S/cm 초과, 또는 약 100 S/cm 초과이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은, 전도성 및 저항률(resistivity)은 각각 20 ℃에서 측정된 직류 전도성 및 저항률을 지칭한다.
전도성 재료의 전도성은 전도성 입자의 농도를 조절함으로써 조절될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전도성 재료는 약 100 Ohm-cm 미만, 약 50 Ohm-cm 미만, 약 25 Ohm-cm 미만, 약 15 Ohm-cm 미만, 또는 약 10 Ohm-cm 미만인 저항률을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 전도성 재료는 약 0.01 S/m 초과, 약 0.05 S/m 초과, 약 0.1 S/m 초과, 약 0.2 S/m 초과, 약 1 S/m 초과, 약 2 S/m 초과, 또는 약 3 S/m 초과의 전도성을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 필름은 전도성 재료로부터 제조된다. 그러한 필름은 압출 또는 공-압출 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전도성 재료의 표면 저항률, 또는 전도성 재료로부터 제조된 필름의 표면 저항률은 약 100 kOhm/sq 미만, 약 10 kOhm/sq 미만, 약 5 kOhm/sq 미만, 약 2 kOhm/sq 미만, 약 1 kOhm/sq 미만, 또는 약 600 Ohm/sq 미만이다.
이온성 액체 첨가제는 제1 중합체, 제2 중합체, 제3 중합체, 또는 제1, 제2 및 제3 중합체의 블렌드에 첨가될 수 있다. 이온성 액체 첨가제는 전도성을 개질시키는데 사용되고/거나 중합체의 점도를 개질시키는데 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 이온성 액체는 대전방지제이다. 일부 실시 형태에서, 이온성 액체 첨가제는 1-10중량%의 농도로 첨가된다. 적합한 이온성 액체로는 3M 컴퍼니(3M Company) (미국 미네소타주, 세인트폴 소재)로부터 FC-4400의 상표명 하에 입수가능한 트라이-n-부틸메틸암모늄 비스-(트라이플루오로메탄술포닐)이미드가 포함된다.
일부 실시 형태에서, 전도성 재료는 절연 재료와 함께 공-압줄된다. 공-압출을 위한 공정 조건은 전도성 및 절연 층에 사용된 재료에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 압출 조건은 연속적이고 안정된 방식으로 재료 스트림을 적절히 공급, 용융, 혼합, 펌핑하도록 선택된다. 최종 용융 스트림 온도는, 온도 범위의 하한에서는 동결, 결정화 또는 과도하게 큰 압력 강하를 피하고, 온도 범위의 상한에서는 열화를 피하는 범위 내에서 선택된다. 절연 층에 적합한 재료로는 제1, 제2 및 제3 중합체에 대해 앞서 열거된 재료들이 포함되며, 단, 전도성 입자가 중합체에 첨가되거나, 전도성 입자가 존재하는 경우, 이들은 삼출 역치 아래에 존재한다. 일부 실시 형태에서, 절연 재료는 약 106 Ohm-cm 초과, 또는 약 1010 Ohm-cm 초과, 또는 약 1014 Ohm-cm 초과, 또는 약 1018 Ohm-cm 초과의 벌크(bulk) 저항률을 갖는다.
전도성 재료는 공-압출에 의해 제조된 유연성 전도체가 요구되는 응용 분야에서 유용하다. 예시적인 응용 분야로, 그 전체가 참고로서 본 명세서에 포함된, "버스 바를 갖는 서로 맞물린 전극용 필름 구조물 및 그의 제조 방법 (Film constructions for Interdigitated Electrodes with Bus Bars and Methods of Making Same)"이라는 명칭으로, 2014년 8월 28일 공개된 미국 특허 공보 제2014-0238731호 (켈리(Kelley), 등)에 설명된 바와 같은, 다층 전자 필름 (MEF: Multilayer Electronic Film) 기술이 있다.
도 6 및 도 7은 다층 및 다중래인의 서로 맞물린 전극 필름에 대한 예시적인 구조를 보여준다. 나타낸 바와 같이, 이들 필름은 제1 주 표면, 제1 주 표면 반대의 제2 주 표면, 및 제1 및 제2 주 표면을 따라 일반적으로 동일면 내 방향(in-plane direction)을 갖는다. 필름은 x-, y-, 및 z-방향을 참조하여 설명된다. x-방향은 필름의 길이를 따르고 (또는 필름 제조시 하향 웹 방향 (down web direction), y-방향은 필름의 너비 방향을 따르고, z-방향은 제1 및 제2 주 표면 사이의 거리를 따른다.
도 6은 노출된 전극 및 수직의 버스 바를 갖는 다층의 서로 맞물린 전극 필름 (22)의 단면도이다. 필름 (22)은 동일면 내 방향을 따른 주 표면들 사이에서 전극 층 (26)과 서로 맞물린 전극 층 (24)을 포함한다. 절연 층 (28)은 전극 층 (24)을 전극 층 (26)으로부터 분리시킨다. 버스 바 (30)는 전기 접속되고, z-방향을 따라 필름 (22)의 주 표면들 사이의 한 위치, 예를 들어 필름 (22)의 가장자리에서 전극 층 (24)과 통합된다. 버스 바 (32)는 전기 접속되고, z-방향을 따라 필름 (22)의 주 표면들 사이의 또 하나의 위치, 예를 들어 필름 (22)의 또 다른 가장자리에서 전극 층 (26)과 통합된다. 필름 (22)은 노출된 전극을 갖고, 여기에서 절연 층 (28)은 필름 (22)의 주 표면의 최외측 층에서 전극 층 (24 및 26)을 덮지 않는다. 전극 층 (24 및 26) 및 버스 바 (30 및 32)는 본 발명의 설명의 전도성 재료를 절연 층 (28)을 형성하기 위한 공-압출성 절연체와 함께 공-압출함으로써 제조될 수 있다.
도 7은 수평의 버스 바를 갖는 다중래인의 서로 맞물린 전극 필름 (34)의 단면도이다. 필름 (34)은 z-방향을 따라 주 표면들 사이에서 전극 층 (38)과 서로 맞물린 전극 층 (36)을 포함한다. 절연 층 (40)은 전극 층 (36)을 전극 층 (38)으로부터 분리시킨다. 버스 바 (44)는 전기 접속되고, 동일면 내 방향을 따라 필름 (34)의 하나의 주 표면 상에서 전극 층 (36)과 통합되고, 버스 바 (42)는 전기 접속되고, 동일면 내 방향을 따라 필름 (34)의 다른 주 표면 상에서 전극 층 (38)과 통합된다. 전극 층 (36 및 38) 및 버스 바 (42 및 44)는 본 발명의 설명의 전도성 재료를 절연 층 (40)을 형성하기 위한 공-압출성 절연체와 함께 공-압출함으로써 제조될 수 있다.
전극 층 (36 및 38)은 수직 면 층 (즉, 실질적으로 x-z 면 내)으로서 설명될 수 있고, 전극 층 (24 및 26)은 수평 평면 층 (즉, 실질적으로 x-y 평면 내)으로서 설명될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전극 층 (24 및 26) 또는 전극 층 (36 및 38)은 만곡된 또는 그렇지 않으면 비-평면(non-planar) 형태를 가질 수 있다. 절연 층 (28 및 40)은, 수직 및 수평 절편(segment) 모두를 포함하는 비-평면 형태를 갖는다.
본 개시 내용의 전도성 재료를 포함하는 물품의 제조 방법이 도 8에 예시되어 있다. 제1 중합체 (825)를 제1 혼합기 (810) 내에서 전도성 입자 (815)와 혼합하여 중합체 복합체 (835)를 형성하고, 이를 제2 혼합기 (820) 내에서 제2 중합체 (845) 및 제3 중합체 (855)와 블렌드하여 전도성 재료 (865)를 형성한다. 제1 혼합기 (810) 또는 제2 혼합기 (820)는 회전자-고정자(rotor-stator) 혼합기와 같은 고전단 혼합기일 수 있으며 배치 혼합기, 또는 인라인(inline) 혼합기일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 혼합기 (810)는 고전단 혼합기이며, 제2 혼합기 (820)는 더욱 낮은 전단 속도를 제공하는 혼합기이다. 제1 혼합기 (810) 또는 제2 혼합기 (820)로서의 이용에 적합한 장치는 찰즈 로스 & 손 컴퍼니(Charles Ross & Son Company) (미국 뉴욕주, 하퍼지 소재)로부터 입수가능하다. 전도성 재료 (865)는 압출 다이 (830)를 통하여 압출되어 물품 (875)을 형성한다. 적합한 압출 다이는 미국 특허 제6,767,492호 (노어퀴스트(Norquist), 등)에 설명되어 있으며, 이는 본 명세서에 참고로서 포함된다. 압출된 물품 (875)은 필름일 수 있으며, 다중 층을 포함할 수 있다.
실시예
[표 1]
Figure pct00001
실시예 1 내지 실시예 31
실시예의 블렌드를 표 1에 나타낸 재료를 이용하여 제조하였다. 표 2 내지 표 5에 주어진 실리콘-14k, 스태트-테크, 및 제3 중합체를 브라벤더(BRABENDER) 계량 혼합기 (미국 뉴욕주, 사우쓰 핵큰색 소재의 C. W. 브라벤더 인스트루먼츠, 인크.(C. W. Brabender Instruments, Inc.))에 첨가하고, 용융 블렌드시켰다. 블렌드를 230 ℃ 및 78 rpm에서 15분 동안 자동 모드로 제조하였다. 각 블렌드를 와바쉬 제네시스(Wabash Genesis) 6304-15-LP 프레스에서 450 ℉ (232 ℃)에서 2분 동안 3000 파운드(1.4 미터 톤)의 힘 설정으로 용융 프레스하였다. 끼움쇠(shim)을 사용하여 샘플의 두께가 약 0.404 mm 두께가 되도록 조절하였다. 각 샘플을 그 후 약 5 - 10 ℃에서 유지된 동일한 프레스 상에서 냉각된 플레이트들의 별개의 세트로 이동시켰다. 샘플의 두께를 약 0.404 mm로 유지하기 위하여 끼움쇠를 샘플과 함께 이동시켰다. 각 샘플을 3000 파운드 (1.4 미터 톤)의 힘 설정으로 2분 동안 냉각된 플레이트 하에서 프레스하였다. 각각 대략 15 cm의 직경을 갖는, 대략 원형인 샘플을 모았다. 샘플의 표면 저항률을 델콤(Delcom) 717B 기기 (미국 미네소타주, 미네아폴리스 소재의 델콤 인스트루먼츠 인크.(Delcom Instruments, Inc.))를 이용하여 측정하였다. 각 샘플에 대해 6회의 저항률 측정을 하고, 평균을 취하였다. 샘플의 벌크 전도성은 표면 저항률 측정치 및 샘플의 두께로부터 결정되었다. 표 2 내지 표 5에 재료 조성, 대응하는 예상 카본 블랙 농도 및 저항률과 전도성 측정치를 요약하였다.
[표 2]
Figure pct00002
[표 3]
Figure pct00003
[표 4]
Figure pct00004
[표 5]
Figure pct00005
표 2 내지 표 5에서 고려된 각각의 제3 중합체 성분의 경우, 3 개의 중합체 성분을 갖는 조성물은 제3 중합체를 포함하지 않은 대조군 B에 비하여 균등하거나 더욱 낮은 카본 블랙 부하에서 더욱 낮은 저항률을 제공하는 것으로 발견되었다. 대조군 B에 비교시, 실시예 10 및 실시예 23은 더욱 낮은 카본 블랙 부하에서 감소된 저항률을 제공하였으며, 한편 실시예 18 및 실시예 31은 균등한 카본 블랙 부하에서 더욱 낮은 저항률을 제공하였다.
표 2 내지 표 5의 데이타는, 블렌드 조성물이 저항률에 대해 현저한 비-선형 효과를 가졌음을 나타내며, 이는 저항률이 중합체 상의 형태학에 따라 다양하였음을 시사한다. 샘플의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 취하여 재료의 형태학을 증명하였다. 실시예 1 내지 실시예 31은 둘 이상의 상에 더하여 카본 블랙으로 이루어졌으며, 이는 플레이크 형태 및 어두운 둥근 입자로 나타났다. 스태트-테크 중합체 (제1 연속성 상)는 복잡한 형태학을 나타낸 연속성 상을 형성하였다. TEM 분석은 실리콘 -14k 상 (제2 연속성 상)이 커다란 임의의 형태의, 특색없는 영역으로서 존재하였음을 시사하였다. 카본 블랙은 이 상 내로 통과하지 않았다. 제3 중합체 성분 (비-연속성 상)은 일부 샘플에서 스태트-테크 상 (제1 연속성 상) 내의 특색없는 작은 도메인(domain)으로서 나타났다. 대표적인 TEM 이미지를 도 2 내지 도5에 나타내었다. 도 2는 도에 표시된 2 마이크로미터의 길이 단위를 이용하여, 실시예 19에 대한 TEM 이미지를 나타낸다. 제2 연속성 상 (실리콘-14k 상) (220), 제1 연속성 상 (210) (스태트-테크 상) 및 비-연속성 상 (230) (PP 6523 상)을 이미지에서 볼 수 있다. 도 3은 도에 표시된 0.5 마이크로미터의 길이 단위를 이용하여, 실시예 19에 대한 확대된 TEM 이미지를 나타낸다. 제1 연속성 상 (310), 비-연속성 상 (330) 및 전도성 입자 (360)를 이미지에서 볼 수 있다. 도 4는 도에 표시된 2 마이크로미터의 길이 단위를 이용하여, 실시예 21에 대한 TEM 이미지를 나타낸다. 제2 연속성 상 (실리콘-14k 상) (420), 제1 연속성 상 (410) (스태트-테크 상) 및 비-연속성 상 (430) (LA 2250 상)을 이미지에서 볼 수 있다. 도 5는 도에 표시된 0.5 마이크로미터의 길이 단위를 이용하여, 실시예 31에 대한 TEM 이미지를 나타낸다. 제2 연속성 상 (520), 제1 연속성 상 (510) 및 비-연속성 상 (530)을 이미지에서 볼 수 있다.
선택된 샘플의 기계적 성질은 TA 인스트루먼츠(TA Instruments) (미국 델라웨어주, 뉴캐슬 소재)로부터의 동역학적 분석 (DMA: Dynamic Mechanical Analysis) 기기를 이용하여 특징되었다. 20 mm 길이, 12 mm 너비 및 0.404 mm 두께의 직사각형 바의 기하 형태를 갖는 시험 샘플을 필름에서 잘랐다. 모든 필름은 5 ℃/분의 가열 속도 및 1 ㎐의 주파수에서, -115 ℃ 내지 200 ℃의 온도 간격으로 시험되었다. 탄성 전단 (G′) 및 점성 (G″) 모듈러스를 표 6에 제공하였다. 모든 샘플은 100 MPa 미만의 탄성 전단 모듈러스를 가졌고, 많은 샘플은 약 30 MPa 미만의 탄성 전단 모듈러스를 가졌다.
[표 6]
Figure pct00006
실시예 32 내지 실시예 34
표 7에 나타낸 양으로, 실리콘-14k 대신 실리콘-15k를 사용하고, 브라벤더 고정식 혼합기 내에서 대전방지제를 제1, 제2 및 제3 중합체와 블렌드한 것을 제외하고는, 블렌드를 실시예 1 내지 실시예 31에서와 같이 제조하였다. 샘플을 제조하고, 실시예 1 내지 실시예 31에서와 같이 전도성을 측정하였다. 전도성 결과를 표 7에 제공하였다.
[표 7]
Figure pct00007
실시예 35 내지 실시예 42
실리콘-15k를 실리콘-14k 대신 사용한 것을 제외하고는, 블렌드를 실시예 1 내지 실시예 31에서와 같이 제조하였다. 샘플을 제조하고, 실시예 1 내지 실시예 31에서와 같이 전도성을 측정하였다. 전도성 결과를 표 8에 제공하였다.
[표 8]
Figure pct00008
실시예 43 내지 실시예 48
표 9에 나타낸 것과 같이, 스태트-테크 수지 대신 탄소 나노튜브를 포함하는 수지를 사용한 것을 제외하고는, 블렌드를 실시예 32 내지 실시예 34에서와 같이 제조하였다. 샘플을 제조하고, 실시예 1 내지 실시예 31에서와 같이 전도성을 측정하였다. 전도성 결과를 표 9에 제공하였다.
[표 9]
Figure pct00009
특정 실시 형태가 본 명세서에 예시 및 기술되었지만, 본 개시 내용의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 대안의 구현예가 도시되고 기술된 특정 실시 형태에 대해 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 본 출원은 본 명세서에 논의된 특정 실시 형태의 임의의 개조 또는 변형을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 전도성 재료로서,
    제1 중합체를 포함하는 제1 연속성 상;
    제1 중합체와 상이한 제2 중합체를 포함하고, 제1 연속성 상과 공-연속성(co-continuous)인 제2 연속성 상;
    제1 중합체와 상이하고 제2 중합체와 상이한 제3 중합체를 포함하고, 제1 연속성 상 내에 실질적으로 포함된 비-연속성 상; 및
    제1 중합체 내에 또는 제1 연속성 상 및 제2 연속성 상 사이의 경계에 분포된 복수의 전도성 입자를 포함하고,
    전도성 입자는 전도성 네트워크를 형성하고, 전도성 재료는 용융-가공성인, 전도성 재료.
  2. 제1항에 있어서, 전도성 입자가 제1 중합체 내에 분포된 전도성 재료.
  3. 제1항에 있어서, 전도성 입자가 제1 연속성 상과 제2 연속성 상 사이의 경계에 분포된 전도성 재료.
  4. 제1항에 있어서, 제2 중합체가 실리콘계 중합체인 전도성 재료.
  5. 제1항에 있어서, 전도성 입자가 구형 입자, 막대-형태 입자, 플레이크(flake), 혈소판 형태, 또는 이의 조합인 전도성 재료.
  6. 제1항에 있어서, 전도성 입자가 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그래핀 입자, 탄소 섬유, 은 플레이크 또는 은 나노입자로 이루어지는 군으로부터 선택된 입자를 포함하는 전도성 재료.
  7. 제1항에 있어서, 약 100 MPa 미만의 전단 모듈러스(modulus)를 갖는 전도성 재료.
  8. 제7항에 있어서, 약 10 MPa 미만의 전단 모듈러스를 갖는 전도성 재료.
  9. 제1항에 있어서, 압출성인 전도성 재료.
  10. 제1항에 있어서, 0.1 S/m 이상의 벌크(bulk) 전도성을 갖는 전도성 재료.
  11. 제10항에 있어서, 1 S/m 이상의 벌크 전도성을 갖는 전도성 재료.
  12. 제1항의 전도성 재료를 포함하는 필름.
  13. 제12항에 있어서, 복수의 층을 포함하며, 복수의 층들 중 하나 이상이 전도성 재료를 포함하고, 복수의 층들 중 하나 이상이 절연 재료를 포함하는 필름.
  14. 물품의 제조 방법으로서,
    제1 중합체, 제2 중합체 및 제3 중합체가 서로 비혼화성이도록 제1 중합체, 제2 중합체 및 제3 중합체를 선택하는 단계;
    제1 중합체를 복수의 전도성 입자와 혼합함으로써 중합체 복합체를 형성하는 단계;
    중합체 복합체, 제2 중합체 및 제3 중합체를 블렌딩하여 전도성 재료를 형성하는 단계; 및
    전도성 재료를 압출하는 단계를 포함하고,
    전도성 재료는
    제1 중합체를 포함하는 제1 연속성 상;
    제2 중합체를 포함하고, 제1 연속성 상과 공-연속성인 제2 연속성 상; 및
    제3 중합체를 포함하는 비-연속성 상을 포함하고;
    전도성 입자가 전도성 네트워크를 형성하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 비연속성 상이 제1 연속성 상 내에 실질적으로 포함된 방법.
  16. 제14항에 있어서, 복수의 전도성 입자가 제1 중합체 내에 또는 제1 연속성 상과 제2 연속성 상 사이의 경계에 분포된 방법.
  17. 제14항에 있어서, 압출 단계가 복수의 층을 공-압출하는 것을 포함하고, 복수의 층들 중 하나 이상이 전도성 재료를 포함하고, 복수의 층들 중 하나 이상이 절연 재료를 포함하는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 압출 단계가 복수의 수평의 평면 층을 공-압출하는 것을 포함하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 압출 단계가 복수의 수직의 평면 층을 공-압출하는 것을 포함하는 방법.
  20. 제14항에 있어서, 압출 단계가 하나 이상의 비-평면(non-planar) 층을 압출 또는 공-압출하는 것을 포함하는 방법.
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