KR20220137080A - 안정한 전력 및 자가 제한 거동을 갖는 pptc 히터 및 재료 - Google Patents
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Abstract
중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 정의하는 중합체 매트릭스; 및 상기 중합체 매트릭스 내에 배치된 그래핀 충전제 성분으로서, 상기 그래핀 충전제 성분은 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체의 미리 결정된 평면을 따라 정렬된 복수의 그래핀 입자를 포함하는 것인, 그래핀 충전제 성분;을 포함할 수 있다.
Description
양태는 저항 히터 분야에 관한 것으로, 특히 중합체 정온도 계수(Polymer Positive Temperature Coefficient, PPTC) 재료에 기초한 히터에 관한 것이다.
중합체 정온도 계수(PPTC) 장치는 다양한 응용 분야에서 과전류 또는 과열 보호 장치와 전류 또는 온도 센서로 사용될 수 있다. 중합체 정온도계수 재료의 경우, 전도성 금속입자상 또는 전도성 탄소입자상 또는 세라믹 전도성 상과 같이 분산된 전도성 재료(필러)를 포함하는 중합체 매트릭스의 열팽창으로 인해 온도가 증가함에 따라 전기저항이 증가한다. 중합체 매트릭스가 용융 전이와 같은 상 전이를 겪을 수 있는 트립 온도(trip temperature)에서, 중합체 부피의 수반되는 큰 증가는 전도성 충전제 입자가 서로 분리되어 전기적으로 전도성 경로의 방해를 초래함에 따라 저항의 급격한 증가를 일으킬 수 있다. 냉각 시, 중합체 부피가 줄어들면서, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 저항률은 트립 온도 미만에서 상대적으로 더 낮은 값으로 되돌아갈 수 있다. 이러한 동작으로 인해 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 재설정 가능한 퓨즈와 같은 적용에 적합하다. 일반적으로, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 전체 전도도와 온도에 따른 저항 증가는 전도성 필러의 함량에 따라 달라지며, 높은 저항률(10~10000ohm.cm) 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 경우, 온도가 증가함에 따라 전기 저항이 크게 증가하는 경향이 있는데, 이는 트립 온도 미만에서도 전도성 필러 함량이 낮기 때문입이다. 트립 온도 미만에서 저항이 증가하면, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 IR 가열이 더욱 증가하고, PPTC 장치의 비정상적인 트립이 발생할 수 있다. 따라서, 트립 온도 미만에서 안정적인 전기 작동이 유용한 응용 분야의 경우, 공지된 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 사용이 제한될 수 있다.
이들 및 다른 고려사항과 관련하여 본 개시 내용이 제공된다.
하나의 양태에서, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 정의하는 중합체 매트릭스(polymer matrix); 및 상기 중합체 매트릭스 내에 배치된 그래핀 충전제 성분(graphene filler component)으로서, 상기 그래핀 충전제 성분은 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체의 미리 결정된 평면을 따라 정렬된 복수의 그래핀 입자를 포함하는 것인, 그래핀 충전제 성분;을 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 저항 히터는, 히터 본체를 정의하는 고리 형상으로 배열된 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료; 및 2개 이상의 위치에서 히터 본체와 접촉하도록 배열된 2개 이상의 전극을 포함하는 전극 조립체;를 포함할 수 있고, 상기 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는, 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 정의하는 중합체 매트릭스; 및 상기 중합체 매트릭스 내에 배치된 그래핀 충전제 성분으로서, 상기 그래핀 충전제 성분은 히터 본체의 평면을 따라 정렬된 복수의 그래핀 시트를 포함한다.
다른 양태에서, 저항 히터를 형성하는 방법은, 중합체 분말을 제공하는 단계; 그래핀 시트 성분 및/또는 탄소나노튜브 성분을 상기 중합체 분말과 혼합하여, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료를 형성하는 단계; 상기 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료를 가열하여 고온 용융물을 형성하는 단계로서, 상기 그래핀 시트 성분이 중합체 분말로부터 형성된 중합체 매트릭스 내에 균질하게 분산되는 것인, 단계; 상기 고온 용융물(hot melt)을 압출하여 중합체 정온도 계수(PPTC) 시트를 형성하는 단계; 상부 호일과 하부 호일 사이에 중합체 정온도 계수(PPTC) 시트를 라미네이팅하여, 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 형성하는 단계; 및 상기 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 싱귤레이팅하여, 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터 부품을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
도 1은 본 개시 내용의 양태에 따른 PPTC 요소(component)를 도시한다.
도 2는 본 개시 내용의 양태에 따른 다른 PPTC 요소를 도시한다.
도 3은 본 개시 내용의 양태에 따른, 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료들에 대한 온도의 함수로서의 저항을 도시한다.
도 4는 본 개시 내용의 양태에 따른 PPTC 요소의 처리의 개략도를 도시한다.
도 5는 예시적인 공정 흐름을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시 내용의 양태에 따른, 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 도시한다.
도 7c 및 도 7d는 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 도시한다.
도 8은 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서의 예시적인 전력 곡선을 도시한다.
도 8a는 PPTC 장치의 전기적 거동을 측정하기 위한 예시적인 테스트 회로를 도시한다.
도 9는 참조 예시적인 히터에 대한 온도의 함수로서의 전력 곡선을 도시한다.
도 10a는 본 개시 내용의 양태에 따른 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터의 측면도를 도시한다.
도 10b 및 도 10c는 평면도로 도 10a의 저항 히터 부품의 대안적인 변형을 도시한다.
도 11은 예시적인 PPTC 기반 저항 히터의 회로도를 제공한다.
도 12는 본 개시 내용의 양태에 따른, 예시적인 PPTC 기반 저항 히터 부품을 도시한다.
도 13은 예시적인 PPTC 기반 저항 히터의 회로도를 제공한다.
도 14는 본 개시 내용의 양태에 따른 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터를 도시한다.
도 15a는 본 개시 내용의 양태에 따른 신규 카메라의 단면을 도시한다.
도 15b는 본 개시 내용의 양태에 따른 히터의 부품의 평면도 및 사시도를 도시한다.
도 2는 본 개시 내용의 양태에 따른 다른 PPTC 요소를 도시한다.
도 3은 본 개시 내용의 양태에 따른, 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료들에 대한 온도의 함수로서의 저항을 도시한다.
도 4는 본 개시 내용의 양태에 따른 PPTC 요소의 처리의 개략도를 도시한다.
도 5는 예시적인 공정 흐름을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시 내용의 양태에 따른, 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 도시한다.
도 7c 및 도 7d는 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 도시한다.
도 8은 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서의 예시적인 전력 곡선을 도시한다.
도 8a는 PPTC 장치의 전기적 거동을 측정하기 위한 예시적인 테스트 회로를 도시한다.
도 9는 참조 예시적인 히터에 대한 온도의 함수로서의 전력 곡선을 도시한다.
도 10a는 본 개시 내용의 양태에 따른 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터의 측면도를 도시한다.
도 10b 및 도 10c는 평면도로 도 10a의 저항 히터 부품의 대안적인 변형을 도시한다.
도 11은 예시적인 PPTC 기반 저항 히터의 회로도를 제공한다.
도 12는 본 개시 내용의 양태에 따른, 예시적인 PPTC 기반 저항 히터 부품을 도시한다.
도 13은 예시적인 PPTC 기반 저항 히터의 회로도를 제공한다.
도 14는 본 개시 내용의 양태에 따른 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터를 도시한다.
도 15a는 본 개시 내용의 양태에 따른 신규 카메라의 단면을 도시한다.
도 15b는 본 개시 내용의 양태에 따른 히터의 부품의 평면도 및 사시도를 도시한다.
본 양태는 이제 예시적인 양태를 보여주는 첨부 도면을 참조하여, 이하에서 보다 충분히 설명될 것이다. 양태들은 본 명세서에 기재된 양태들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 양태들은, 본 발명이 철저하고 완전할 수 있도록 제공되며, 이들의 범위를 당업자에게 충분히 전달할 것이다. 도면에서, 유사한 번호는 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭한다.
다음 설명 및/또는 청구범위에서, "상에(on)", "중첩된(overlying)", "상에 배치된(disposed on)" 및 "위에(over)"라는 용어는 다음의 설명 및 청구범위에서 사용될 수 있다. "상에", "중첩된", "상에 배치된" 및 "위에"는 둘 이상의 요소가 서로 물리적으로 직접 접촉하고 있음을 나타내는데 사용될 수 있다. 또한, "상에", "중첩된", "상에 배치된" 및 "위에"라는 용어는 둘 이상의 요소가 서로 직접 접촉하지 않음을 의미할 수 있다. 예를 들어, "위에"는 한 요소가 서로 접촉하지 않고 또 다른 요소 위에 있고, 두 요소들 사이에 또 다른 요소 또는 요소들이 있을 수 있음을 의미할 수 있다. 또한, "및/또는"이라는 용어는, 청구된 주제의 범위가 이 점에 제한되지는 않지만, "및"을 의미할 수 있고, "또는"을 의미할 수 있고, "배타적인 또는(exclusive-or)"을 의미할 수 있고, "하나(one)"를 의미할 수 있고, "전부는 아니지만 일부(some, but not all)"를 의미할 수 있고, "어느 쪽도 아닌(neither)"을 의미할 수 있고, 및/또는 "둘 다(both)"를 의미할 수도 있다.
다양한 양태에서, 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브 또는 그래핀과 같은 나노-크기 탄소 충전제 재료를 갖는 전도성 충전제를 포함하는, 신규한 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료가 제공된다. 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 중합체 매트릭스, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드, 불소계 중합체 수지, 또는 불소 중합체와 다른 중합체의 블렌드를 포함할 수 있다. 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 다양한 비제한적인 양태 등에서 항산화제, 분산제, 가교제, 아크 억제제 등을 포함할 수 있다. 하기에 상세히 설명된 바와 같이, 본 양태의 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료에 의해 제공되는 이점은, 실온에서 최대 사용 온도까지의 온도 범위에 걸쳐 안정적인 전력이라는 점이고, 여기서 전력은 50%-60%와 같이 60% 미만으로, 일부 양태에서 30% 미만, 예를 들어 20% 내지 30%로 변할 수 있다.
특정 양태는 그래핀 충전제 및 반결정질 중합체 매트릭스로부터 형성된 중합체성 정온도 계수(PPTC)재료를 기반으로 한다. 이러한 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료에 의해 부여되는 안정적인 저항 거동은 중합체성 정온도 계수(PPTC) 요소를 적용하는 저항 히터와 같은 새로운 응용 분야를 제공한다. 안정적인 저항 거동은 일반적으로 중합체성 정온도 계수(PPTC) 요소의 트립 온도와 관련된 중합체 매트릭스의 융점 미만 온도의 함수로서 안정적인 히터 전력 거동을 초래한다. 또 다른 이점은 균일하고 효과적인 열 전달이다. 또한, 중합체의 유형, 도전성 충전제, 및 도전성 충전제의 부피 분율에 따라 비저항과 트립 온도를 맞춤화할 수 있으므로, 저항 히터의 용도에 따라 소비전력과 전력 제한 온도를 맞춤화할 수 있다.
특정 양태에서, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 목적하는 적용에 따라 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 정의하는 형상 및 크기를 갖는 중합체 매트릭스로서 배열될 수 있다. 예로서, 중합체성 정온도 계수(PPTC) 히터는 고리 형상 히터 또는 다른 적절한 형상을 포함하는 평면 히터로서 배열될 수 있다. 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 또한 중합체 매트릭스 내에 배치된 그래핀 충전제 성분을 포함할 수 있으며, 여기서 그래핀 충전제 성분은, 고리 형상 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소의 주 평면과 같은 PPTC 본체의 미리 결정된 평면을 따라 정렬된 복수의 그래핀 시트로 형성된다.
일부 양태에서, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 그래핀 충전제로만 형성된 전도성 충전제를 포함할 수 있고, 다른 양태에서, 공지된 탄소 충전제와 같은 제2 전도성 충전제가 그래핀 충전제에 추가될 수 있다. 도 1은 본 개시 내용의 양태에 따른 PPTC 요소를 도시한다. PPCT 요소(100)는 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체(102)를 포함하고, 이 본체는 차례로 중합체 매트릭스(104), 및 상기 중합체 매트릭스(104) 내에 현미경 시트로서 분산되는 그래핀 충전제(106)를 포함한다. PPTC 요소(100)는 전극(108)으로 도시된 한 쌍의 대향 전극을 더 포함하고, 외부 전압이 대향 전극들 사이에서 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체(104)를 통해 전류를 구동하도록 인가될 수 있다. 중합체 매트릭스(104)에 적합한 중합체의 비제한적인 예는 반결정질 중합체, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 에틸렌 테트라플루오로에틸렌, 에틸렌-비닐 아세테이트, 에틸렌 및 아크릴산 공중합체, 에틸렌 부틸 아크릴레이트 공중합체, 폴리-퍼플루오로알콕시를 포함한다.
중합체 정온도 계수(PPTC) 본체(102) 내에서 중합체 매트릭스의 부피 퍼센트는 일부 양태에서 50~99%, 특정 양태에서 60~95%의 범위일 수 있다. 다양한 비제한적 실시양태에서, 그래핀의 부피 분율은 1% ~ 50%, 특정 양태에서 4% ~ 30%의 범위일 수 있다. 그래핀 충전제(106)용 그래핀은 기계적 또는 화학적 수단에 의해 제조될 수 있으며, 여기서 그래핀 입자는 다양한 양태에 따른 입자 내에서 그래핀 시트의 수가 1 내지 수백, 특정 양태에서 1 내지 약 30개의 층 범위인 그래핀 시트의 층으로부터 형성된다. 따라서, 다수의 그래핀 시트로 형성된 그래핀 입자는 또한 2차원 시트 형태를 가질 수 있다. 일부 양태에 따르면, 생성된 그래핀 입자 크기는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛, 특히 1 ㎛ 내지 30 ㎛의 범위일 수 있다.
배경으로는, 그래핀은 2차원 특성을 가진 탄소의 결정 동소체이다. 탄소 원자는 그래핀에서 규칙적인 원자 규모의 육각형 패턴으로 조밀하게 채워져 있다. 그래핀은 1500-2500W.m.-1.K- 범위의 높은 열전도율을 가지고 있다. 도 1의 양태에서, 그래핀 필러는 시트의 평면을 의미하는 입자가 도시된 데카르트 좌표계의 X-Y 평면과 같이 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체(104)의 미리 결정된 평면을 따라 일반적으로 정렬되는 시트형 입자로 배열된다. 그래핀 필러(106)의 높은 열 전도성은 Z 방향을 따라 환경으로의 열 전달을 효과적으로 허용할 뿐만 아니라, X-Y 평면에서 균일한 열 전달을 가능하게 한다. 이러한 열적 특성은 히터 응용 분야에 특히 유용하다. 또한, 그래핀 시트는 10-6 Ω-cm만큼 낮은 벌크 전기 저항을 가지며, 대부분의 전도성 금속은 2x10-6 Ω-cm 이상에 가까운 벌크 저항을 갖는다. 또한, 그래핀 2D 구조는 중합체 매트릭스(104)의 반결정질 중합체가 그래핀 입자의 양면과 접촉하도록 하여, 중합체 매트릭스(104)가 융점에 도달할 때 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료가 온도에 동시에 반응할 수 있도록 한다.
도 2는 본 개시 내용의 양태에 따른 다른 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소(120)를 도시한다. 이 예에서, 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소(120)는 유사한 요소가 동일하게 라벨링된 상술된 PPTC 요소(100)와 일반적으로 동일하게 배열될 수 있다. 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소(120)는 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체(112)가 전도성 요소(110)를 더 포함한다는 점에서 PPTC 요소(100)와 상이하며, 이 요소는 중합체 매트릭스(106) 내에서 복수의 탄소 입자 또는 세라믹 전도성 입자(예를 들면, TiC 또는 WC)로서 배치되는 탄소 충전제 및/또는 세라믹 전도성 요소일 수 있다. 이와 같이, 전도성 요소(110)는 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소(100)의 전기적 특성에 대해 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소(120)의 전기적 특성을 수정할 수 있다.
도 3은 본 개시 내용의 양태에 따른, 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료에 대한 온도의 함수로서의 저항을 도시한다. 이 경우, 2개의 상이한 곡선은 도 1 및 도 2 각각에 일반적으로 배열된 바와 같이 2개의 상이한 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 거동을 나타낸다. 하단 곡선은 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소(100)에 해당하고, 상단 곡선은 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소(120)에 해당한다. 두 예에서, 실온에서 약 140 ℃-150 ℃까지의 저항은 비교적 낮고 안정적이지만, 트립 온도 170C에서는 급격히 증가한다. 순수한 그래핀 성분의 경우 최대 900 Ohms 이상으로 증가하지만, 그래핀과 탄소 충전재를 포함하는 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소의 경우 최대 24,000 Ohms 이상으로 증가한다. 특히, 두 가지 예에서, 트립 온도 미만의 저온 저항은 매우 안정적이다.
도 4는 본 개시 내용의 양태에 따른 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소의 처리의 개략도를 도시한다. 히터 적용과 같은 적절한 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소를 형성하기 위해, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는 압출 장치에서 압출되어, 중합체 정온도 계수(PPTC) 층 또는 시트를 형성할 수 있다. 일반적으로, 중합체 재료와 그래핀 입자의 혼합물과 같은 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료(220)는 압출 챔버(204)에 연결된 용기(202)에 추가될 수 있으며, 여기서 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료(220)는 압출 요소(206)에 의해 가열되고 인발되어, 시트 또는 층의 형태로 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체(210)를 형성할 수 있다.
도 5는 예시적인 공정 흐름(302)을 도시한다. 블록(302)에서, 중합체 재료 및 전도성 분말 및 선택적 첨가제가 함께 혼합된다. 중합체 재료는 반결정질 중합체의 분말일 수 있고, 전도성 필러는 그래핀 입자를 포함하고, 선택적으로 탄소 입자 및/또는 전도성 세라믹 입자를 더 포함할 수 있다. 블록(304)에서, 중합체 및 전도성 충전제와 같은 혼합 성분이 중합체를 용융시키고 이에 따라 중합체 매트릭스 내에서 전도성 충전제 입자를 보다 균질하게 분산시키는 온도로 가열되는 고온 용융 공정이 수행된다. 블록(306)에서, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 시트를 형성하기 위한 시트 압출이 수행되고, 여기서 중합체와 전도성 충전제의 용융된 혼합물이 압출되어 중합체 정온도 계수(PPTC) 시트 또는 층을 형성한다. 블록(308)에서, 전도성 금속 층(박)은 적층체는 형성하기 위해 압출된 중합체 정온도 계수(PPTC) 시트의 상부면 및 하부면에 적용될 수 있다. 블록(310)에서, 중합체 정온도 계수(PPTC) 요소 또는 복수의 PPTC 요소는 대향 전극들 사이에 샌드위칭된 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 포함하는 개별 요소를 형성하기 위해 라미네이팅된 본체를 싱귤레이팅함으로써 형성된다. 일부 예에서, 싱귤레이팅된 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체는 원형 고리, 직사각형 고리, 타원형 고리, 타원형 고리 또는 다각형 고리와 같은 고리의 형상을 가질 수 있다. 블록(312)에서, 싱귤레이팅된 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체는 히터와 같은 장치로 조립된다. 예를 들면, 싱귤레이팅된 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체는 PPTC 히터를 형성하기 위해 대향 전극에 연결된 리드(와이어)에 부착될 수 있다. 선택적으로, 히터는 카메라 또는 가열될 다른 구조와 같은 다른 구조에 통합될 수 있다. 블록(314)에서, 절연 코팅은 PPTC 히터의 요소를 캡슐화하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들면, 절연 코팅은 화학조(chemical bath)에서의 전기영동 증착에 의해 형성될 수 있으며; CVD에 의해 파릴렌 코팅을 형성하고; 또는 다른 절연 코팅을 형성한다.
이제, 도 6a 및 도 6b로 넘어가서, 본 개시 내용의 양태에 따른, 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서, 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 예시하는 것이 도시되어 있다. 예시적인 히터는 그래핀 충전제 및 중합체 매트릭스를 갖는 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료로 형성된다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 저항은 25 ℃에서 약 150 ℃까지 실질적으로 변하지 않고, 170 ℃ 이상에서 급격히 증가한다. 반대로, 전력 소비는 100C까지 3.3와트에서 3와트 사이를 유지하고, 150 ℃에서 1.8W로 점차 감소하고, 150 ℃ 이상에서는 더 급격하게, 175 ℃에서 약 0.2와트로 감소하며, 중합체의 녹는점 주변의 전력을 제한한다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 도시한다. 예시적인 히터는 그래핀 충전제, 플러스 탄소 충전제 및 중합체 매트릭스를 갖는 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료로 형성된다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 저항은 25 ℃에서 약 150 ℃까지 실질적으로 변하지 않고, 170 ℃ 이상에서 급격히 증가한다. 반대로, 전력 소비는 100 ℃까지 3.3와트에서 약 2.6와트로 감소한 후, 170C에서 0와트에 가깝게 더 빠르게 감소한다. 위의 결과는, 그래핀 기반 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체에 탄소를 추가함으로써 히터 특성을 맞춤화할 수 있는 방법을 보여준다.
본 개시 내용의 다른 양태에서, PPTC 히터는 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브 재료와 같은 탄소 나노튜브 재료로부터 형성된 충전제를 갖는 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료로부터 형성될 수 있다. 도 7c 및 도 7d는 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 저항 및 전력 곡선을 각각 도시한다. 예시적인 히터는 탄소 나노튜브 충전제 및 중합체 매트릭스를 갖는 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료로 형성된다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 150 ℃ 미만의 전력 레벨은 도 9와 관련하여 아래에서 논의되는 바와 같이 탄소 충전제에 기초한 PTC 히터에 대한 것보다 상대적으로 더 안정하다.
도 8은 본 개시 내용의 양태에 따른, 다른 예시적인 저항 히터에 대한 온도의 함수로서 예시적인 전력 곡선을 도시한다. 도 8a는 중합체 정온도 계수(PPTC) 장치의 전기적 거동을 측정하기 위한 예시적인 테스트 회로를 도시한다. 도 8에서, 히터에 인가된 16V 및 히터에 인가된 13.5V에 대한 두 개의 전력 곡선이 표시된다. 더 높은 전압의 경우, 더 높은 전력을 구동하는 것으로 나타났다(3.4와트와 2.4와트 비교). 그러나, 두 경우 모두, 전력은 20 ℃와 140 ℃ 사이에서 거의 일정하게 유지된 후, 150 ℃ 이상에서 급격히 감소한 후 170 ℃ 이상에서 1W 미만의 전력 수준에 도달한다. 150 ℃ 이상에서 감소된 전력은 PPTC 히터의 트리핑을 반영하며, 저항이 급격히 증가하여, 제공된 인가 전압에 대한 전류 및 총 전력을 제한한다. 따라서, 도 8의 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 히터 소자는 트립 온도 이상의 제한된 전력으로 감소하기 전에 넓은 온도 범위에 걸쳐 균일한 전력을 제공하는 기능을 한다.
비교를 위해, 도 9는 그래핀 충전제가 없는 PPTC에 기초한 기준 히터에 대한 온도의 함수로서의 전력 곡선을 도시한다. 도 9에서, 히터에 인가된 16V 및 히터에 인가된 13.5V에 대한 두 개의 전력 곡선이 표시된다. 더 높은 전압의 경우, 더 높은 전력을 구동하는 것으로 나타났다(2.1와트와 1.5와트 비교). 그러나, 두 경우 모두, 전력이 20 ℃와 140 ℃ 사이에서 지속적으로 실질적으로 감소하여, 150 ℃ 이상에서는 필수적으로 0와트 전력에 도달한다. 따라서, 이러한 저항 히터는 실온과 150 ℃ 사이의 트립 온도 미만과 같은 유용한 온도 범위에서 안정적인 전력 출력을 나타내지 않는다.
본 개시 내용의 다양한 양태에 따르면, 중합체 정온도 계수(PPTC) 히터는 카메라와 같은 요소에 사용하도록 구성될 수 있다. 도 10a-15와 관련하여 이어지는 양태에서, 카메라에 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터의 통합을 포함하여, 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터에 대한 새로운 구성을 보여준다. 다양한 양태에 따르면, 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터는 전술한 양태에서 일반적으로 설명된 바와 같이, 탄소 충전 중합체와 같은 공지된 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료를 기반으로 할 수 있거나, 그래핀 충전 중합체를 기반으로 할 수 있다. 그래핀 충전 중합체 기반 PPTC 히터는 확장된 온도 범위에서 안정적인 전류 작동이 요구되는 응용 분야에 특히 적합할 수 있다.
도 10a는 본 개시 내용의 양태에 따른 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터(350)의 측면도를 도시한다. 저항 히터(350)는 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터 부품(360)과 외부 배선(370)을 포함한다. 저항 히터 부품은 일반적으로, 예를 들면 도 1 및 도 2의 양태와 관련하여 상술된 바와 같이 배열될 수 있다. 저항 발열체 부품(360)은 평면에서 볼 때, 카메라와 같이 가열되는 부품의 둘레에 접하도록 고리 형상을 가질 수 있다. 화살표는, 왼쪽 와이어(370)로부터, 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터 부품(360)을 통해, 오른쪽 와이어(370) 밖으로 흐르는 전류에 대한 전류 경로를 묘사한다. 도 10b 및 도 10c는 저항 히터 부품(360)의 대안적인 변형을 평면도로 도시한다. 저항 히터 부품(360)은 원형 고리 본체로 배열된 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체(362), 및 전극(364)으로 도시된 대향 전극을 포함한다. 도 10b에 도시되는 바와 같이, 예를 들면 저항 히터 부품(360A)은 세그먼트(364A 및 364B)로 도시된 2개의 고리 세그먼트로서 대향 전극과 함께 배열되며, 여기서 원형 고리 본체의 일부는 노출된 영역(362A) 및 노출된 영역(362B)에서 도시된 바와 같이 노출된다. 도 10a 및 도 10b는 노출된 영역(362A) 및 노출된 영역(362B)의 형상 및 크기 뿐만 아니라 세그먼트(364A 및 364B)의 상대적인 배치에서 서로 상이하다. 이러한 구성으로 인해, 도 10a에 도시된 바와 같이, 저항이 가장 적은 경로를 통해 흐르는 전류는 왼쪽 와이어(370)로부터 전극(364)의 하부로 수직으로 흐른 후, 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체의 하부 표면을 따라 전극(364)을 따라 측방향으로 흐를 수 있다. 그 후, 전극(364)의 파손으로 전류가 수직으로 상부면으로 흐르고, 그 후 상부면을 따라 측면으로, 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체의 상부면에서 하부면으로 수직으로, 하부 전극을 따라 측면으로, 그리고 오른쪽 와이어(370)의 외부로 흐를 수 있다.
도 11은 도 10의 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 기반 저항 히터의 회로도를 제공한다. 요소 R0 및 R7은 와이어(370)로부터의 저항을 나타낸다. 요소 R1, R4 및 R6은 호일의 저항을 나타내고, 요소 R2, R3 및 R5는 PTC 고리 본체의 저항을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 요소 R3의 저항은 PTC 고리의 왼쪽 및 오른쪽에 의해 생성된 R2 및 R5의 저항보다 클 수 있다.
도 12는 본 개시 내용의 양태에 따른 PPTC 히터 부품(400)으로서 도시된 예시적인 PPTC 기반 저항 히터 부품을 도시한다. 이 예에서, PPTC 히터 부품(400)은 측면도(상단 및 하단) 및 평면도(가운데)에 도시된 바와 같이 평평한 고리 형상을 갖는다. PPTC 히터 부품(400)은 일반적으로 도 1 및 도 2의 양태에 도시된 바와 같이 배열될 수 있고, 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체는 대향하는 전극들 사이에 샌드위칭된다. 이 경우, 대향 전극은 상부 고리 표면 및 하부 고리 표면의 많은 부분을 덮을 수 있다.
도 13은 도 12의 예시적인 PPTC 기반 저항 히터의 회로도를 제공한다. R0 및 R7 요소는 PPTC 히터(400)에 연결될 외부 배선으로부터의 저항을 나타낸다. 요소 R1, R2, R5 및 R6은 솔더 패드의 저항을 나타내고, 요소 R3, R4는 PTC 본체의 저항을 나타낸다.
도 14는 본 개시 내용의 양태에 따른 예시적인 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터(450)의 측면도를 도시한다. 저항 히터(450)는 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터 부품(400)과 외부 배선(410)을 포함한다. 화살표는 왼쪽 와이어(410)로부터 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터 부품(400)을 통해 오른쪽 와이어(410) 밖으로 흐르는 전류에 대한 전류 경로를 묘사한다. 도시된 바와 같이, 전류는 좌측 와이어(410)로부터 수직으로 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체의 하부 표면에서 상부 표면으로, 이어서 상부 전극을 따라 측면으로, 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체의 상부면에서 하부면으로 수직으로, 하부 전극을 따라 측면으로, 오른쪽 와이어(410) 밖으로 흐를 수 있다.
다양한 양태에서, 중합체 정온도 계수(PPTC) 히터가 인쇄 회로 기판(PCB에 통합될 수 있다. 예를 들면, 저항 히터 부품(400)은 표면 실장 PTC 저항 히터 구성을 지원하기 위해 PCB를 사용하는 저항 히터에 통합될 수 있다.
언급된 바와 같이, 본 양태에 따른 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터는 카메라에 통합될 수 있다. 도 15a는 카메라 렌즈 조립체에 통합될 고리로 배열된 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터 부품(400A)을 포함하는 신규 카메라(450)를 도시한다. 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터 부품(400A)은 저항 가열에 의해 카메라 렌즈를 가열하기 위해 카메라 렌즈(430)와 열 접촉할 수 있다. 고리 형상으로 인해, 카메라 렌즈(430)의 외주가 직접 가열될 수 있다. 이러한 방식으로, 카메라 렌즈는, 예를 들면 습기 또는 침전을 몰아내기 위해 제공된 양으로 가열될 수 있다.
도 15a의 특정 양태에서, 히터 부품(400A)은 위에서 논의된 히터 부품(400)에 대해 도시된 바와 같이 전류를 전도할 수 있다. 히터 부품(400A)은 PTC 본체(412), 금속 호일 층(414), 전도성 금속 부분(418), 및 절연층(416)을 포함한다. 히터 부품(400A)은 접촉 금속(419)을 통해 와이어(410)에 결합될 수 있다. 도 15b에서, 히터 부품(400A)의 평면도가 도시되어 있으며, 여기서 도 15a의 상부는 도 15b에 도시된 반원 경로 A-A를 따른 단면에 대응한다. 따라서, 히터 부품(400A)은 표면 실장 기술에 따라 배열될 수 있다. 특히, 히터 부품(400A)은 도 15b에 도시된 바와 같이 히터 부품(400A) 및 PCB 고리(420)가 고리 형상을 갖는 PCB 고리(420) 상에 지지될 수 있다. 히터 부품(400A)은 일반적으로 도 14에 도시된 바와 같은 전류 경로를 생성하기 위해 도시된 바와 같이 2개의 세그먼트로 분할될 수 있다. 특히, 와이어(410)들 사이의 전류는 2개의 반원 평행 경로로 이동할 수 있다. 다양한 비제한적 양태에서, 히터 부품(400A)의 총 두께는 대략 2 mm일 수 있지만, PCB 고리(420)의 두께는 1 mm 미만이다. PCB 고리(420)에 적합한 재료의 비제한적인 예는 FR4, 구리 인레이 PCB, 또는 Al2O3 또는 AlN과 같은 세라믹 PCB를 포함한다.
본 양태에 따른 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터가 카메라 또는 가열될 다른 장치에 통합될 때, 다음과 같은 이점이 실현될 수 있다: 1) 자가 균형 배전 설계; 2) 카메라 하우징에서 얇지만 완전히 절연된 요소; 3) 매우 좁은 영역에 들어갈 수 있는 특별한 모양의 히터; 4) 그래핀 입자의 부피 분율(그래핀 기반 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 경우) 및 중합체 매트릭스에 추가된 선택적 탄소 입자와 같은 충전제 레시피를 조정하여 저항 히터의 전력 대 온도 성능을 조정할 수 있는 요소; 5) 최대 작동 온도와 같은 넓은 온도 범위(그래핀 기반 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료의 경우)에 걸쳐 안정적인 발전 대 온도 작동을 갖는 저항 히터; 6) 더 추운 환경에서 더 높은 전력 생산; 7) 따뜻한 환경에서 더 낮은 전력 생산; 및 8) 자체 제한 전력을 갖는 저항 히터.
본 양태가 특정 양태를 참조하여 개시되었지만, 첨부된 청구범위에 규정되는 바와 같이, 본 개시 내용의 영역 및 범위를 벗어나지 않고 기술된 양태에 대한 수많은 수정, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 양태는 기술된 양태에 제한되어서는 안 되고, 하기의 청구범위의 표현 및 그 등가물에 의해 규정된 전체 범위를 가질 수 있다.
Claims (16)
- 중합체 정온도 계수(Polymer Positive Temperature Coefficient, PPTC) 재료로서, 상기 재료는,
중합체 정온도 계수(PPTC) 본체(body)를 정의하는 중합체 매트릭스(polymer matrix); 및
상기 중합체 매트릭스 내에 배치된 그래핀 충전제 성분(graphene filler component)으로서, 상기 그래핀 충전제 성분은 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체의 미리 결정된 평면을 따라 정렬된 복수의 그래핀 입자를 포함하는, 그래핀 충전제 성분;을 포함하는 것인, 중합체 정온도 계수 재료.
- 제1항에 있어서,
상기 재료는 상기 중합체 매트릭스 내에 복수의 탄소 입자로서 배치된 탄소 충전제 및/또는 전도성 세라믹 성분, 상기 중합체 매트릭스 내에 복수의 세라믹 입자로서 배치된 전도성 세라믹 성분, 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것인, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료.
- 제1항에 있어서,
중합체 매트릭스의 부피 퍼센트는 50 내지 99%인 것인, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료.
- 제1항에 있어서,
그래핀 충전제 성분의 부피 퍼센트는 1% 내지 50%인 것인, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료.
- 제1항에 있어서,
상기 중합체 매트릭스는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드, 불소계 중합체 수지, 또는 불소 중합체를 포함하는 중합체 블렌드를 포함하는 것인, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 그래핀 입자 중 소정의 그래핀 입자는 n개의 그래핀 시트를 포함하되, 이때 n은 1 내지 100이고, 그래핀 입자의 입자 크기는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것인, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료.
- 제1항에 있어서,
상기 재료는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 첨가제는 항산화제, 분산제, 가교제, 아크(arc) 억제제, 커플링제, 또는 중합체 가공제를 포함하는 것인, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료.
- 저항 히터로서, 상기 히터는,
히터 본체를 정의하는 고리 형상으로 배열된 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료; 및
2개 이상의 위치에서 히터 본체와 접촉하도록 배열된 2개 이상의 전극을 포함하는 전극 조립체;를 포함하고,
상기 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료는,
중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 정의하는 중합체 매트릭스; 및
상기 중합체 매트릭스 내에 배치된 그래핀 충전제 성분으로서, 상기 그래핀 충전제 성분은 히터 본체의 평면을 따라 정렬된 복수의 그래핀 시트를 포함하는, 그래핀 충전제 성분;을 포함하는 것인, 저항 히터.
- 제8항에 있어서,
상기 고리 형상은 원형 고리, 직사각형 고리, 타원형 고리, 타원 고리 또는 다각형 고리를 포함하는 것인, 저항 히터.
- 제8항에 있어서,
상기 저항 히터는 상기 중합체 매트릭스 내에 복수의 탄소 입자로서 배치된 탄소 충전제 성분을 더 포함하는 것인, 저항 히터.
- 제8항에 있어서,
중합체 매트릭스의 부피 퍼센트는 50 내지 99%인 것인, 저항 히터.
- 제8항에 있어서,
그래핀 충전제 성분의 부피 퍼센트는 1% 내지 50%인 것인, 저항 히터.
- 제8항에 있어서,
상기 저항 히터는 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 제1 리드 및 제2 리드를 더 포함하고, 상기 제1 리드 및 제2 리드는 상기 히터 본체의 평면에 수직으로 연장되는 것인, 저항 히터.
- 저항 히터를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
중합체 분말을 제공하는 단계;
그래핀 시트 성분 및/또는 탄소나노튜브 성분을 상기 중합체 분말과 혼합하여, 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료를 형성하는 단계;
상기 중합체 정온도 계수(PPTC) 재료를 가열하여 고온 용융물(hot melt)을 형성하는 단계로서, 상기 그래핀 시트 성분이 중합체 분말로부터 형성된 중합체 매트릭스 내에 균질하게 분산되는 것인, 단계;
상기 고온 용융물을 압출하여 중합체 정온도 계수(PPTC) 시트를 형성하는 단계;
상부 호일과 하부 호일 사이에 중합체 정온도 계수(PPTC) 시트를 라미네이팅하여, 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 형성하는 단계; 및
상기 중합체 정온도 계수(PPTC) 본체를 싱귤레이팅하여, 중합체 정온도 계수(PPTC) 저항 히터 부품을 형성하는 단계;를 포함하는 것인, 저항 히터의 형성 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 방법은, 중합체 매트릭스 내에 복수의 탄소 입자로서 배치된 탄소 충전제 성분을 혼합하는 단계를 더 포함하는 것인, 저항 히터의 형성 방법.
- 제14항에 있어서,
중합체 매트릭스의 부피 퍼센트는 50 내지 99%이고, 그래핀 충전제 성분의 부피 퍼센트는 1% 내지 50%인 것인, 저항 히터의 형성 방법.
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