KR20240089240A

KR20240089240A - 전열성 합성물들 그리고 관련된 복합 물질들 및 방법들

Info

Publication number: KR20240089240A
Application number: KR1020247014603A
Authority: KR
Inventors: 제임스 더블유 스펜슬리; 파하드 파기히
Original assignee: 플렉사호퍼 플라스틱스 리미티드
Filing date: 2021-10-06
Publication date: 2024-06-20

Abstract

표면들을 가열하기 위한 전열성 나노물질 합성물들에 관한 합성물들 및 방법들이 제공된다. 가열 응용들은 로토몰딩에 대한 것을 포함한다. 나노물질은, 실버 나노와이어들, 실버 나노플레이크들, 카본 나노튜브들, 카본-나노섬유들, 카본-그래파이트, 및 카본 블랙을 포함할 수 있다. 전열성 합성물은 또한 결합제들 및 용매들을 포함할 수 있다. 커플링제들, 실리콘 수지 중간체들 및 결합제 수지들로 전열성 합성물을 처리하는 것이 제공된다. 전열 패널들 및 열 발생 필름 시트들을 생성하기 위한 방법들이 제공된다. 다-층 공정을 사용하여 전열성 합성물들을 갖는, 패널들의 제조, 필름 시트들의 제조, 표면들의 조제를 행하기 위한 방법들이 또한 제공된다.

Description

전열성 합성물들 그리고 관련된 복합 물질들 및 방법들

본 명세서에서의 실시예들은 전열성 합성물(electrothermic composition)들에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서에서의 실시예들은 전도성 나노물질(conductive nanomaterial)들을 포함하는 전열성 합성물들, 그리고 관련된 복합 물질(composite material)들 및 방법들에 관한 것이다.

전기적으로 전도성인 합성물들 및 코팅(coating)들은 다양한 사용들을 갖는다. 일반적으로, 전도성 코팅들은 가열될 기판과의 열적 접촉으로 배치된다. 코팅들은 코팅에 걸쳐, 인가된 전류를 수용하고, 이것은 결과적으로 열 에너지의 기판(substrate)으로의 전도를 일으킨다. 양의 그리고 음의 단자(terminal)들을 형성하는 와이어(wire), 포일 전극(foil electrode)들, 또는 전도성 페인트(conductive paint)가 코팅과 전기적으로 전도성인 접촉으로 위치하고, 그리고 아크 발생(arcing)을 최소화하기 위해 코팅 내에 내포(embed)될 수 있다. 밀러(Miller)가 발명한 미국 특허 번호 제6,818,156호(밀러 '156)에서 제시되는 바와 같이, 전도성 코팅들의 일부 유용한 응용들은 바닥들, 벽들, 천장들, 지붕들, 및 홈통들의 가열을 포함한다. 추가 사용들은, 운송 차량들 및 동력 장치들 내의 엔진 오일들의 예열, 배터리들 및 보조 시스템들의 국부적 가열, 오일 및 다른 액체들을 운반하는 자동차들 및 유조선들, 석탄 운반 차량들을 가열하는 것, 그리고 항공기 날개들의 제빙을 위한 것을 포함한다. 밀러 '156은 다양한 추운-날씨 영향들을 상쇄시키기 위해 그리고 가정용/상업용 기기들 및 의료 장치들을 위해 포함할 가능성 있는 유용한 응용들을 명시한다.

코팅들 자체는, 브러시, 롤러, 스프레이, 등을 통해 기판에 도포되는데 적합한 결합제(binder) 내에 분산된 전기적으로 전도성인 미립자 물질들을 포함한다. 선택에 따라서는, 코팅과 기판 사이에 프라이머(primer)가 도포될 수 있다. 만약 기판 그 자체가 금속과 같은 전도체라면, 단락 회로들을 피하기 위해 높은 절연성의 비-전도성 프라이머 또는 중간 층이 전형적으로 도포된다. 대안적으로, 기판은 높은 절연성의 비-전도성 물질일 수 있고, 프라이머가 요구되지 않을 수 있다. 코팅 또는 프라이머의 고르지 않은 두께는 결과적으로 고르지 않은 기판 가열 또는 "과열 지점(hot spot)들"을 일으킬 수 있고, 이것은 코팅 또는 프라이머의 가속화된 파손으로 이어질 수 있다.

밀러가 발명한 미국 특허 번호 제6,086,791호(밀러 '791)는, 약 5와 500 μ 사이의 입자 크기의 전기적으로 전도성인 플레이크 카본 블랙(flake carbon black)과, 그리고 약 5와 500 μ 사이의 입자 크기의 전기적으로 전도성인 플레이크 그래파이트(flake graphite)를 갖는 전기적으로 전도성인 발열 코팅(exothermic coating)에 관한 것이다. 개선된 전열성 코팅에서, 밀러 '156은, 약 0.001과 500 μ 사이의 입자 크기를 갖는 전기적으로 전도성인 카본 블랙 입자들과, 그리고 0.001과 500 μ 사이의 입자 크기를 갖는 전기적으로 전도성인 그래파이트 입자를 포함한다. 더 최근에, 밀러가 발명한 미국 특허 번호 제10,433,371호(밀러 '371)는, (종래의 써멀 블랙(thermal black)들, 퍼니스 블랙(furnace black)들, 램프 블랙(lamp black)들, 채널 블랙(channel black)들, 표면-수정된 카본 블랙(surface-modified carbon black)들, 표면 기능화된 카본 블랙(surface functionalized carbon black)들, 및 열-처리된 카본(heat-treated carbon)들의 그룹(group)으로부터 선택되는) 전도성 카본 성분(conductive carbon component)과, 그리고 99.9%의 결정도(crystallinity)를 갖는 그래파이트를 포함하는 저항체 성분(resistor component)을 포함하는 합성물들에 관한 것이다.

하지만, 카본 성분들의 사용은 다수의 한계들을 갖는다. 원소 카본(elemental carbon)은 음의 열적 저항 계수(thermal coefficient of resistance)를 갖고, 이에 따라 온도에서의 증가와 함께, 저항은 감소하고 전도도(conductivity)는 증가한다. 전도성 코팅들에서의 원소 카본의 이러한 특징은 이들에게서 많은 상업용 응용들에 대해 바람직한 전도성 안정도(conductive stability)가 결핍되게 한다. 전도체로서의 카본 블랙의 사용은 일반적으로, 이러한 응용들에 대해 요구되는 전도도를 성취하기 위해서 카본 블랙의 높은 함량(loading)을 요구한다. 하지만, 카본 블랙의 높은 함량을 갖는 배합(formulation)들은 부서지기 쉬운 경향이 있고, 이것은 결과적으로 열적으로 순환될 때 열 팽창 및 수축으로 인해 균열(crack)들을 초래한다. 이것은 결과적으로, (전도성 입자들의 국부적 응집으로 인한) 과열 지점들, (균열들의 형성으로 인한) 냉각 지점(cold spot)들, 적합한 전극 물질들을 찾는 어려움, 그리고 코팅의 층들의 박리(delamination)를 초래할 수 있다.

본 명세서에서 제공되는 것은, 전기적 에너지를 열로 변환하는 코팅들, 페인트들, 잉크(ink)들, 페이스트(paste)들, 및 필름(film)들과 같은 응용들에 대해서, 전도성 나노물질의 망상체(network)를 갖도록 형성된 전열성 합성물이다. 본 명세서에서 또한 제공되는 것은, 전열성 합성물을 사용하는 복합 물질들이다. 복합 물질들은 코팅들, 패널(panel)들, 및 시트(sheet)들의 형태를 가질 수 있다. 본 명세서에서 또한 제공되는 것은, 전열성 합성물 및 복합 물질들을 만들기 위한 관련된 방법들이고, 뿐만 아니라 합성물을 사용하여 가열을 위한 표면들을 조제(preparing)하기 위한 그리고 복합 물질들을 사용하여 가열을 위한, 로토몰딩 몰드(rotomolding mold)들을 포함하는, 표면들을 조제하기 위한 방법들이다. 본 명세서에서 개시되는 전열성 합성물들의 실시예들은, 온도 변경들과 함께 개선된 전도성 안정도를 나타내고, 그리고 주로 카본을 사용하는 전열성 합성물들보다 훨씬 더 느린 속도의 열화(deterioration)를 갖는 것으로 관측되었다. 더욱이, 본 명세서에서 개시되는 전열성 합성물들은, 개선된 일관성(consistency), 형성의 용이함, 코팅의 용이함, 증가된 균일한 두께, 증가된 신뢰도(reliability), 증가된 유연성(flexibility), 및 증가된 열적 안정도(thermal stability) 중 적어도 하나를 제공한다. 제공되는 전열성 합성물들을 사용하는 전열성 코팅들은 과열 지점들을 감소시켰고, 그리고 전극들과의 용이한 통합 및 연결을 가능하게 한다.

본 명세서에서의 합성물들의 실시예들은 절연성 층(insulating layer), 전열성 층(electrothermic layer), 및 전도성 라인(conductive line)들의 통합을 개선하였다. 개선된 통합은 증가된 에너지 효율 및 내구성(durability)을 제공한다. 실시예들에서, 캐소드(cathode)들 및 애노드(anode)들로서 지정된 전극들이 전기적 채널링(electrical channeling)을 최소화하기 위한 패턴(pattern)들로 정렬된다.

실시예들은 패널들 및 시트들의 사용을 포함하는데, 이것은 코팅들을 몰드들에 직접적으로 도포하도록 하는 요건을 없앤다. 이것은, 설치하기 더 쉬운 그리고 컴퓨터 수치 제어(Computer Numerical Control, CNC) 기술을 사용하여 더 복잡한 패턴들을 생성하는 것을 가능하게 하는, 더 비용 효율적인 공정들을 가능하게 한다. 이것은 또한 패널들 및 시트들이 더 많은 응용들에서 사용될 수 있게 한다.

제공되는 전열성 합성물들을 로토몰딩의 분야에서 사용하는 것은 오븐(oven) 및 관련된 장비에 대한 요건을 제거한다. 제공되는 전열성 합성물들을 로토몰딩에서 사용하는 것은, 증가된 에너지 효율을 제공하고 아울러 가열에 관한 더 많은 제어를 제공한다. 가열에 관한 증가된 제어는 단일 몰드 내에서 물질의 다양한 두께에 관한 더 많은 제어를 가능하게 한다. 전열성 코팅들을 로토몰딩에서 사용하는 것은 또한, 고온 유체가 사용되는 유체 연결들 또는 다른 시스템들에서 사용되는 히터(heater) 및 덕트(duct)들의 경우보다 슬립 링(slip ring)들을 더 쉽게 동작시키는 사용을 가능하게 한다. 전열성 합성물의 실시예들은 미리-제조된 패널들 또는 시트들의 사용을 통해 이루어지는 것을 포함하는 데, 이러한 것은, 바닥들, 벽들, 천장들, 지붕들, 및 홈통들의 가열; 가열되는 의류, 치료용 가열 패드들, 운송 차량들 및 동력 장치들 내의 엔진 오일들의 예열, 배터리들 및 보조 시스템들의 국부적 가열, 오일 및 다른 액체들을 운반하는 자동차들 및 유조선들, 석탄 운반 차량들을 가열하는 것, 그리고 항공기 날개들의 제빙을 위한 것; 추운-날씨 영향들을 상쇄시키기 위한 것; 그리고 가정-내/상업용 기기들 및 의료 장치들의 사용을 위한 것을 포함하는 다양한 응용들에 대해 적합하다.

실시형태에서, 전열성 합성물이 전도성 나노물질의 망상체 및 결합 성분(binding component)을 갖고, 여기서 나노물질은 전열성 합성물의 질량(mass)의 10%와 80% 사이에 있고, 그리고 전열성 합성물은 0.05 옴(ohms)/cm²와 35 옴/cm² 사이의 저항률(resistivity)을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은 전열성 합성물의 질량의 40%와 70% 사이에 있는 나노물질을 갖고, 그리고 전열성 합성물은 0.08 옴/cm²와 10 옴/cm² 사이의 저항률을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은, 나노와이어(nanowire)들, 나노튜브(nanotube)들, 나노플레이크(nanoflake)들, 나노입자(nanoparticle)들, 또는 이들의 조합들을 갖는 전도성 나노물질을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은 나노와이어들을 포함하는 전도성 나노물질을 갖고, 그리고 여기서 전도성 나노물질의 망상체는 나노와이어들의 상호연결된 스트랜드(strand)들을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은, 나노플레이크들 및 나노입자들 중 적어도 하나를 또한 포함하는 전도성 나노물질의 망상체를 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은, 약 35와 250 nm 사이의 평균 직경 및 약 8과 60 ㎛ 사이의 평균 길이를 갖는 상호연결된 스트랜드들을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은, 약 55와 176 nm 사이의 평균 직경 및 약 14와 30 ㎛ 사이의 평균 길이를 갖는 상호연결된 스트랜드들을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물에서의 전도성 나노물질의 망상체는 10 nm보다 작은 평균 망상체 메쉬 크기(average network mesh size)를 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은 실버 나노물질(silver nanomaterial)을 포함하는 전도성 나노물질을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은 적어도 하나의 카본 성분을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은, 카본 나노튜브들, 카본-나노섬유(carbon nanofiber)들, 나노-그래파이트, 및 카본 블랙 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 카본 성분을 갖는다.

실시예에서, 전열성 합성물은 실리콘 수지(silicone resin)를 포함하는 결합 성분을 갖는다.

실시예에서, 표면과의 접촉시 표면에 열을 가하기 위한 전열 발생 패널(electrical heat generating panel)이 세 개의 층들을 갖는다. 제1 층은 전기적으로 절연성인 물질을 포함한다. 제2 층은 제1 층 상에 배치되는 전열성 합성물을 포함한다. 제3 층은 제2 층 상에 패턴을 갖도록 정렬되는 양의 그리고 음의 전극들을 포함한다.

실시예에서, 전열 발생 패널은, 제1 층에 도포되는 열-전도성 접착제(thermal-conductive adhesive)의 층을 갖고, 그리고 제거가능한 지지 시트(removable backing sheet) 상에 배치된다.

실시예에서, 열을 발생시키기 위한 전열 발생 필름 시트가 두 개의 층들을 갖는다. 제1 층은 비-전도성 필름의 시트를 포함한다. 제2 층은 제1 층 상에 배치되는 전열성 합성물을 포함한다.

실시예에서, 전열 발생 필름은 제2 층을 덮기 위한 비-전도성 필름의 시트인 제3 층을 갖는다.

실시예에서, 비-전도성 필름의 시트는 실리콘을 포함한다.

실시예에서, 비-전도성 필름의 시트는 폴리이미드(polyimide)를 포함한다.

또 하나의 다른 실시형태에서, 표면과의 열적 접촉시 표면에 열을 가하기 위한 전열 발생 패널을 제조하는 방법이, 전기적으로 절연성인 물질의 층을 형성하는 것; 전기적으로 절연성인 물질의 층 상에 전열성 합성물의 층을 형성하는 것; 그리고 전열성 합성물의 층 상에 양의 그리고 음의 전극들을 형성하는 것을 포함한다.

제조하는 방법의 실시예에서, 전열성 합성물의 층은 실버 나노물질을 포함한다.

또 하나의 다른 실시형태에서, 열을 발생시키기 위한 전열 발생 필름 시트를 제조하는 방법이, 비-전도성 필름의 제1 층을 형성하는 것; 그리고 제1 층 상에 전열성 합성물의 층을 형성하는 것을 포함한다.

실시예에서, 방법은 전열성 합성물의 층을 덮기 위한 비-전도성 필름의 제2 층을 형성하는 것을 포함한다.

또 하나의 다른 실시형태에서, 전열성 합성물로 가열을 위한 표면을 조제하는 방법이, 하나 이상의 열 전달 표면들을 갖는 비-전기 전도성 물질(non-electrically conductive material)로 구성된 몰드를 제공하는 것; 하나 이상의 열 전달 표면들에 전열성 합성물의 층을 도포하는 것; 그리고 전열성 합성물의 층에 전극들을 적용하는 것을 포함한다.

제조하는 방법의 실시예에서, 몰드는 전기적으로 전도성인 물질의 하나 이상의 열 전달 표면들을 포함하고, 전열성 합성물의 층을 도포하기 전에, 열 전달 표면들에 전기적으로 절연성인 물질의 층을 도포하는 것을 포함한다.

도 1은 전열성 합성물의 실시예의 요소들의 일부의 예시이고;
도 2는 일부 실시예들에 따른, 전열성 합성물을 만들기 위한 예시적인 방법의 흐름도이고;
도 3은 도 2의 방법에서 전도성 나노물질을 제공하기 위한 추가적인 단계들을 예시하는 흐름도이고;
도 4는, 절연성 층, 전열성 층, 및 전도성 라인들의 층을 포함하는 코팅의 실시예의 측면도이고;
도 5는 예시적인 로토몰딩 몰드의 투시도이고;
도 6a는, 절연성 층, 전열성 층, 및 패턴을 갖도록 도포된 전도성 라인들의 층을 포함하는 패널의 실시예의 상면도이고;
도 6b는, 도 6a의 패널의 단면선 6-6을 따르는 단면이고;
도 7a는, 절연성 층, 전열성 층, 및 패턴을 갖도록 도포된 전도성 라인들의 층을 포함하는 패널의 또 하나의 다른 실시예의 상면도이고;
도 7b는, 절연성 층, 전열성 층, 및 패턴을 갖도록 도포된 전도성 라인들의 층을 포함하는 패널의 또 하나의 다른 실시예의 상면도이고;
도 8은, 일부 실시예들에 따른, 전열성 패널을 만들기 위한 예시적인 방법의 흐름도이고;
도 9는, 일부 실시예들에 따른, 전열성 코팅을 로토몰딩 몰드에 도포하는 것 및 로토몰딩 몰드를 가열하는 것을 행하기 위한 단계들을 예시하는 흐름도이고;
도 10은, 일부 실시예들에 따른, 로토몰딩 몰드를 가열하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이고;
도 11은 필름의 층 상에 전열성 층을 포함하는 코팅의 실시예의 측면도이고;
도 12는 필름의 두 개의 층들 사이에 전열성 층을 포함하는 코팅의 실시예의 측면도이고;
도 13은, 일부 실시예들에 따른, 전열성 합성물의 층이 내포된 시트를 만들기 위한 방법의 흐름도이고;
도 14는 패턴을 갖도록 도포된 전열성 합성물을 포함하는 필름 시트의 실시예의 상면도이고;
도 15는 패턴을 갖도록 도포된 전열성 합성물을 포함하는 필름 시트의 또 하나의 다른 실시예의 상면도이고;
도 16은 패턴을 갖도록 도포된 전열성 합성물을 포함하는 필름 시트의 또 하나의 다른 실시예의 상면도이고; 그리고
도 17은 패턴을 갖도록 도포된 전열성 합성물을 포함하는 필름 시트의 또 하나의 다른 실시예의 상면도이다.

일반적으로, 본 개시내용은, 전기적 에너지를 열로 변환하는 코팅들, 페인트들, 잉크들, 페이스트들, 및 필름들을 포함하는 응용들을 위한, 전열성 합성물, 관련된 복합 물질들 및 방법들을 제공한다. 전열성 합성물은 전도성 나노물질 및 결합제를 포함할 수 있고, 나노물질은 결합제 내에 분산되고 그리고 상호연결된 전도성 경로들의 망상체를 형성한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "나노물질"은 나노미터 범위에서 적어도 일 차원을 갖는 임의의 물질을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 나노물질의 금속은 실버를 포함한다. 다른 실시예들에서, 금속은 구리(copper), 골드(gold), 또는 임의의 다른 적합한 금속을 포함한다. 실버는, 높은 전도도 및 산화(oxidation)에 대한 저항으로 인해, 본 명세서에서 개시되는 합성물들에 대해 특히 적합할 수 있다.

나노물질은, 나노입자들, 나노와이어들, 나노튜브들, 및/또는 나노플레이크들의 형태를 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "나노입자들"은 나노미터 범위에 있는 입자들을 지칭하고, "나노와이어"는 나노미터 범위에서 직경을 갖는 그리고 길이 대 폭의 비율이 100보다 큰 나노구조를 지칭하고, "나노플레이크들"은 나노미터 범위에서 다른 두 개보다 실질적으로 더 작은 일 차원을 갖는 나노물질의 고르지 않은 조각을 지칭하고, 그리고 "나노튜브"는 나노미터 범위에서 직경을 갖는 그리고 길이 대 폭의 비율이 100보다 큰 관 모양의 나노구조를 지칭한다.

일부 실시예들에서, 나노물질은 표면-수정된다. 예를 들어, 나노물질은, 결합제 수지(binder resin)와의 융화성(compatibility)을 증진시키기 위해서, 실란 커플링제(silane coupling agent)로 표면-수정될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "결합제"는 나노물질을 수용할 수 있는 임의의 물질(substance)을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 결합제는 예컨대, 실리콘 수지를 포함하는 수지를 포함한다. 적합한 결합제들은 긴-사슬의 실리콘-기반 수지 혼합물(long-chain silicone-based resin mixture)들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 실리콘 수지들은 고-온 실리콘 수지들(예컨대, 다우실(DOWSIL™) RSN-0805 또는 다우실(DOWSIL™) RSN-0806)이다.

일부 실시예들에서, 전열성 합성물은 또한 하나 이상의 카본 성분들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 카본 성분은 카본 나노물질을 포함한다. 카본 성분들의 예들은 카본 나노튜브들, 카본 나노섬유들, 나노-그래파이트, 및 카본 블랙을 포함한다. 카본 성분들은 일반적으로 금속 나노입자들보다 덜 비싸고, 그리고 전열성 합성물의 흐름 속성들(flow properties)을 개선할 수 있다.

전열성 합성물은 습성(wet)일 때 약 5%와 약 50% 사이의 나노물질을 포함할 수 있다(그리고 건조된 경우 질량의 약 10% 내지 80% 사이의 나노물질을 포함할 수 있음). 일부 바람직한 실시예들에서, 전열성 합성물은 습성일 때 전열성 합성물의 질량의 대략 8.5%와 31% 사이의 나노물질을 포함한다(그리고 건조된 경우 질량의 대략 40% 내지 70% 사이의 나노물질을 포함함). 실시예들에서, 나노물질은 최대 30%의 카본 나노물질(여기에는 카본 나노튜브들이 포함되지만, 이러한 것으로만 한정되는 것은 아님)을 포함한다.

전열성 합성물은 약 0.05 옴/cm²와 35 옴/cm² 사이의 저항률을 가질 수 있다. 일부 바람직한 실시예들에서, 전열성 합성물은 약 0.08 옴/cm²와 10 옴/cm² 사이의 저항률을 갖는다. 도 1을 참조하면, 실시예에서, 전열성 합성물은 적합한 결합제(미도시) 내의 전도성 나노물질의 망상체(100)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 전도성 나노물질의 망상체는, 실버 나노와이어들(102), 카본 나노튜브들(104), 및 실버 나노플레이크들(106)의 조합을 포함하고, 이들은 비-균일한 방향들로 정렬되고 연결의 지점들(110)을 가져 전도성 경로들의 공동의-연속적인 맞물린 망상체들을 형성한다. 실시예들에서, 실버 나노와이어들(102)은, 평균 직경들 그리고 길이들을 약 35 내지 250 nm 사이에서 그리고 약 8 내지 60 ㎛ 사이에서 각각 갖고, 아울러 10 nm보다 작은 평균 망상체 메쉬 크기를 갖는다. 실시예들에서, 실버 나노와이어들(102)은, 평균 직경들 그리고 길이들을 약 55 내지 176 nm 사이에서 그리고 약 14 내지 30 ㎛ 사이에서 각각 갖고, 아울러 약 10 nm보다 작은 평균 망상체 메쉬 크기를 갖는다. 평균 망상체 메쉬 크기는 연결의 지점들(110) 간의 평균 거리를 의미한다. 실시예들에서, 실버 나노플레이크들(106) 대신에 또는 실버 나노플레이크들(106)과 결합되어 실버 나노입자들(미도시)이 사용될 수 있다. 실시예에서, 실버 나노플레이크들(106)(및/또는 나노입자들)은 크기에 있어 약 10 ㎛일 수 있다. 예시적 실시예에서, 전열성 합성물은, 실버 나노와이어들(102), 카본 나노튜브들(104), 실버 나노플레이크들(106), 및 나노입자들을 포함한다.

실버는 전도성 나노입자들의 형태에서 적합한 전도성 물질인 것으로 식별되었는데, 하지만 실버와 유사한 특징들을 갖는 임의의 전도성 나노입자들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전도도 및 산화 및 저항의 측면에서 골드가 적합한 특징들을 갖는다. 구리는 바람직한 비용 및 전도도 특징들을 갖지만, 덜 바람직한데 왜냐하면 구리는 실버보다 산화에 더 민감하기 때문이다.

실버는, 높은 전도도 및 산화에 대한 저항 때문에, 전열성 합성물들에서 적합한 성분이다. 전열성 합성물들과 관련된 실시예들은 실버 나노입자들, 나노플레이크들, 및 나노와이어들을 포함한다. 실시예들에서, 다른 전도성 나노입자들이 실버 나노입자들과 함께 존재할 수 있다. 실시예에서, 실버 나노와이어들이 사용된다. 실시예들에서, 실버 나노와이어들은 화학적 반응들로 합성될 수 있고, 여기서 실버 나이트레이트(silver nitrate)가 원자 실버(atomic silver)에 대한 전구체(precursor)로서 사용된다. 원자 실버의 (구형이 아닌) 일-차원적 막대-형태 구조로의 결정화를 인도하기 위해 중합성 계면활성제(polymeric surfactant)가 적용될 수 있다. 나노와이어들의 기능적으로 일-차원적인 구조는, 전도성 망상체를 형성하는 전기적으로 전도성인 경로들을 형성하는데 적합하고, 이러한 구조는 일반적으로 변형 하에서 양호한 전도도를 갖고 따라서 조인트 저항(joint resistance)을 최소화한다. 실버 나노와이어들의 리간드 교환(ligand exchange)은 실버 나노와이어들이 전열성 합성물들 내에 균질하게(homogeneously) 분산될 수 있게 한다. 이러한 균질성(homogeneity)은 전열성 합성물들이 일관되는 것 그리고 재현가능한 기계적 및 전기적 특징들을 갖는 것을 돕니다.

특정 응용들에서, 전열성 합성물에 카본-기반 성분들을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 카본-기반 성분들은 실버 나노입자들보다 덜 비싸고, 그리고 이것을 합성물에 포함하는 것은 개선된 흐름 속성들을 제공할 수 있다. 실시예들에서, 카본 성분들은 카본 나노튜브들, 카본 나노섬유들, 나노-그래파이트, 및 카본 블랙을 포함한다. 카본 블랙 입자들을 더 낮은 농도들에서 추가하는 것은 코팅의 일관성을 증가시키고, 이것은 결과적으로 부유 입자(suspended particle)들의 안정도를 더 좋게 할 수 있어 도포된 코팅의 개선된 균일성(uniformity)을 제공한다. 카본 나노튜브들은 또한 전도성 경로들을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 카본 나노튜브들은, 카본 블랙보다 더 낮은 질량에서 더 높은 전도도로 인해, 적합한 성분일 수 있다.

실시예들에서, 전열성 합성물은 또한, 경화(cure)될 때 전열성 합성물을 함께 결속시키기 위한 하나 이상의 결합제들 또는 결합 작용제들을 포함한다. 실시예들에서, 결합제는 다우실(DOWSIL™) RSN-0805 또는 다우실(DOWSIL™) RSN-0806과 같은 실리콘 수지이다. 실리콘 수지들은, 적합한 열 저항, 내후성(weatherability), UV 광 안정도, 절연 파괴를 방지하기 위한 충분히 높은 절연 강도, 및 발수성(water repellency)을 갖는다. 더욱이, 이들은 고-점도 액체(high-viscosity liquid)들로부터 고체들에 이르기까지 다양한 경도들(consistencies)에서 이용가능하다.

본 명세서에서, 다양한 실시예들은 결합제 내에 분산되는 (나노입자들, 나노튜브들, 나노플레이크들, 및/또는 나노와이어들을 포함하는) 전도성 나노물질을 포함하고, 여기서 결합제는 또한 프라이머로서 동작할 수 있고, 이것은 밀러 '791 및 밀러 '156에서와 같이 프라이머를 별도로 도포할 필요를 없앤다. 더욱이, 실시예들에서, 수많은 서로 다른 유형의 물체들에 대한 적용을 최대화하기 위해, 기판 자체는 패널 또는 패널들의 형태로서 용이하게 제조될 수 있는 중간 층일 수 있고, 이러한 패널 각각은 전열성 합성물로 처리된다. 다른 실시예들에서, 합성물은 전도성 라인들의 사용 없이 비-전도성 필름 시트에 직접적으로 도포될 수 있고 이러한 비-전도성 필름 시트에 의해 감싸질 수 있다. 알려진 적합한 특징들의 패널 또는 필름 시트에 합성물을 도포하는 것은 처리의 품질이 재현가능하도록 그리고 일관되도록 할 수 있다. 처리된 패널 또는 필름은 가열될 해당 물체에 적용되게 되는데, 이것은 해당 물체에 대해 적합한 종래의 온도-저항성 접착제들을 사용하여 본딩(bonding)을 포함하는 다양한 종래의 기법들을 사용하여 이루어진다. 더욱이, 합성물의 성질 및 패널-형태 기판의 사용은, 일부 실시예들에서, 합성물, 전극들, 또는 이들 양쪽 모두의 적용에 대해 그리고 복잡한 패널 기하구조들에 대한 적용에 대해 CNC 플로터(plotter)들의 사용을 가능하게 한다.

전도성 나노물질을 포함하는 전열성 합성물들은 또한, 마이크론(micron) 또는 더 큰 규모에서의 전도성 물질을 포함하는 전열성 합성물보다 구조의 더 세밀한 제어를 가능하게 한다.

전열성 합성물은, 표면이, 국부화된 가열을 요구하는 많은 응용들에 대해 적합할 수 있고, 그리고 상승된 온도들에서 안정적일 수 있다. 표면을 가열하기 위해 전열성 합성물을 사용하는 것은 지정된 그리고 효율적인 가열을 제공한다. 본 명세서에서 개시되는 전열성 합성물의 사용은 결과적으로, 가열 효율을 증진시켜, 대류 방식 기술들(convection style technologies)과 비교될 때, 로토몰딩 응용들에서 약 10% 내지 90% 더 적은 에너지를 요구한다.

전열성 합성물의 생성(Production of Electrothermic Composition)

도 2는 일부 실시예들에 따른, 전열성 합성물을 만들기 위한 예시적인 방법(200)의 흐름도이다. 방법(200)은 위에서 설명된 전열성 합성물의 실시예들을 만들기 위해 사용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 블록(202)에서, 전도성 금속 나노물질이 제공된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "제공하는"은 나노물질을 만드는 것, 사는 것, 획득하는 것, 또는 다른 방식으로 얻는 것을 지칭한다. 실시예들에서, 나노물질은 나노입자들, 나노와이어들, 나노튜브들, 및/또는 나노플레이크들을 포함하고, 이들은 위에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 실버일 수 있다. 블록(204)에서는, 위에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 적합한 결합제가 제공된다. 블록(206)에서는, 아래에서 설명되는 바와 같이, 커플링제들 및 실리콘 수지 중간체들 중 하나 이상으로 처리되었을 수 있는 전도성 금속 물질이, 희석된 결합제 수지(diluted binder resin) 내에 균질하게 분산될 수 있다. 교반(stirring)과 초음파 처리(sonication)를 번갈아 수행하는 다수의 단계들을 통해, 적합한 분산이 성취될 수 있다. 사용되는 교반 속도 및 이에 따른 전단 속도(shear rate)는 혼합물의 체적에 의존할 수 있다. 실시예들에서, 카본 성분들이 또한 결합제 내에 분산될 수 있다.

도 3은 도 2의 방법(200)에서 나노물질을 제공하기 위한 추가적인 단계들(300)을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 실시예들에서, 전도성 금속 나노물질은, 결합제와의 결합 전에, 추가적인 단계들(300)에서, 커플링제들(302) 및/또는 실리콘 수지 중간체들(304)로 처리된다. 블록(302)에서, 전도성 금속 나노물질은, 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 적합한 방법들을 사용하여 하나 이상의 실란 커플링제들로 표면 처리될 수 있다. 블록(304)에서, 전도성 금속 나노물질은, 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 결합제 수지 내에서의 분산가능성(dispensability)을 개선하기 위해 반응성 실리콘 수지 중간체들 또는 기능성 실리콘 수지들로 처리될 수 있다.

커플링제들 및/또는 실리콘 수지 중간체들로 첨가물(additive)들을 표면 처리하는 것은 합성물의 균질성, 안정성, 및 성능을 개선한다. 하지만, 이러한 단계들은 생성 절차를 단순화 및 단축하기 위해 그리고 생성 비용을 감소시키기 위해 생략될 수 있다. 결과적인 전열성 합성물들은 표면-처리된 첨가물들로 조제된 것들만큼 안정적이지 않을 수 있다. 덜 안정적인 페인트들은 더 집중적인 혼합을 요구할 수 있고, 혼합 이후 더 짧은 기간 내의 도포를 요구할 수 있다.

커플링제들을 이용한 나노물질의 처리(treatment of Nanomaterial with Coupling Agents)

블록(302)의 실시예에서, 실버 플레이크들 및/또는 실버 나노입자들은 하나 이상의 실란 커플링제들로 처리될 수 있다. 이러한 공정의 목적은 결합제 수지와의 융화성을 증진시키기 위해서 이러한 입자들의 표면에 실란 커플링제를 융합(graft)시키는 것이다. 실시예들에서, 표면 흡착률(surface coverage)은, 전도성 첨가물들 또는 입자들 간의 직접적인 접촉을 가능하게 하면서 결합제와 실버 플레이크들의 충분한 융화성을 보장하기 위해 대략 10% 미만에서 유지된다.

실버 플레이크 및 실버 나노입자들의 표면 처리는, 실란 커플링제들을 나노물질 표면들에 산 촉매 또는 염기 촉매로 융합시키는 것과 같은 종래의 방법들을 포함하는 임의의 적합한 방법에 따라 행해질 수 있다. 종래의 방법들은 생성 장비 및 요건들을 용이하게 하기 위해 수정될 수 있는데, 여기에는 아래의 예들에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 반응물들의 온도 및 몰 비율(molar ratio)들과 같은 반응 조건들을 변경시키는 것이 포함된다.

실리콘 수지 중간체들을 이용한 처리(Treatment with Silicone Resin Intermediates)

블록(304)의 실시예에서, 실버 나노와이어들 또는 카르복실 혹은 히드록실 기능화된 다중벽 카본 나노튜브(carboxyl or hydroxyl functionalized multiwalled carbon nanotube)들(상업적으로 이용가능함)은, 결합제 수지 내에서의 이들의 분산성(dispersibility)을 개선하기 위해, 반응성 실리콘 수지 중간체들(예컨대, 다우실(DOWSIL™) 3074 및 다우실(DOWSIL™) 3037) 또는 기능성 실리콘 수지들(예컨대, 다우실(DOWSIL™) RSN-0805 또는 다우실(DOWSIL™) RSN-0806)로 처리될 수 있다. 융합된 수지의 표면 밀도는 수지의 가교결합(crosslinking)을 피하는 것을 돕기 위해 낮게 유지될 수 있음에 유의해야 한다.

절연성 및 전도성 층들을 갖는 다-층 복합 물질(Multi-layer Composite Material with Insulating and Conductive Layers)

본 명세서에서 또한 제공되는 것은, 위에서 설명된 전열성 합성물을 포함하는 전열성 복합 물질이다. 예시적인 복합 물질(400)이 도 4에서 보여진다. 이러한 실시예에서의 복합 물질(400)은, 절연성 층(402), 전도성 층(406), 그리고 이들 사이의 전열성 층(404)을 포함하는 코팅이다. 전열성 층(404)은 위에서 설명된 전열성 합성물의 임의의 실시예를 포함할 수 있다.

전열성 합성물들의 종래의 코팅들에서는 열 팽창 계수들의 적절한 통합이 결핍될 수 있는데, 이것은 결과적으로 코팅의 상이한 층들이 가열 공정 동안 다양한 속도들에서 팽창하고 수축하게 한다. 층들 간의 팽창 및 수축의 다양한 속도는 층들의 균열 및 층들 간의 분리를 초래할 수 있다.

전기적으로 전도성인 목표 기판이 절연성 층을 요구하는 응용들에서, 절연성 층에서의 균열들은 결과적으로 전열성 층과 전도성 목표 기판 간의 직접적인 접촉을 일으킨다. 이러한 접촉은, 전기적 단락들, 절연성 층의 파손, 그리고 전열성 층의 궁극적으로 치명적인 고장을 초래할 수 있다. 절연성 층과 전열성 층 간의 분리는 전열성 층으로부터 (절연성 층을 통해) 가열되는 표면으로의 열적 전도도의 효율을 감소시킬 수 있다.

전도성 라인들의 균열들은 유사하게, 전도도를 감소시킬 수 있고, (전도성 라인들 내에서의) 전기적 경로 채널링을 악화시킬 수 있으며, 이것은 결과적으로, 증가된 저하(degradation)를 일으킨다. 전도성 요소의 전기적 연속성을 파괴하는 균열들은 또한 전도성 요소를 사용 가능하지 않게 할 수 있다. 전도성 라인들과 전열성 층의 분리는 유효한 전기적 연결의 결핍으로 인해 전도성 라인들을 유효하지 않게 할 수 있다. 전도성 라인들과 전열성 층 간의 분리는 또한 아크 발생을 초래할 수 있고, 이것은 코팅의 모든 층들의 저하를 가속화할 수 있다. 통합된 층들을 갖는 복합 물질(400)은 이러한 문제들을 피할 수 있다.

실시예들에서, 절연성 층(402)은 전기적으로 절연성이고 그리고 결합제를 포함한다. 실시예들에서, 절연성 층(402)은 또한, 기계적 강도, 절연성 저항, 용매 저항을 개선하기 위해서, 그리고 핀홀 형성(pinhole formation)을 방지하기 위해서, 분산제(dispersing agent), 공기 제거제(deaerator), 및/또는 다른 물질들을 포함할 수 있다.

실시예들에서, 절연성 층(402)은 전열성 합성물에서 사용된 것과 동일한 결합제를 포함한다. 실시예들에서, 이러한 결합제는, 다우실(DOWSIL™) RSN-0805 또는 다우실(DOWSIL™) RSN-0806과 같은 실리콘 수지를 포함한다. 이러한 결합제를 사용하는 것은 결과적으로 열 발생 전열성 층과의 융화성을 좋게 한다는 것이 발견되었다. 더욱이, 절연성 층(402)이 높은 열 저항, 높은 절연 강도를 가졌다는 것, 그리고 실질적으로 핀홀을 갖지 않았다는 것이 발견되었다. 실시예에서, 절연성 층은, 기계적 강도, 절연성 저항, 용매 저항을 개선하기 위해서, 그리고 핀홀 형성을 방지하기 위해서, 티타늄 옥사이드(titanium oxide) 또는 티타늄 디옥사이드 나노분말(titanium dioxide nanopowder)(예컨대, 에어록사이드(AEROXIDE®) TiO2 P 25), 알루미늄 옥사이드(aluminum oxide), 벤토나이트(bentonite), 및/또는 운모(mica)를 포함한다. 실시예들에서, 절연성 층은 합성물의 균질성을 증진시키기 위해 분산제를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 절연성 층은, 공기 포획을 방지하기 위해서 그리고 핀홀 형성을 방지하기 위해서, 공기 제거제(예컨대, 테고(TEGO) 에어렉스(Airex) 900)를 포함할 수 있다. 실시예들에서, 절연성 층의 모든 성분들은 기계적 교반 및 초음파 처리를 통해 동시에 결합 및 혼합될 수 있다.

실시예들에서, 전열성 층(404)은 결합제 내에 실버 나노와이어들을 포함한다. 적절한 결합제와 결합되어 실버 나노와이어들을 독점적으로 사용하는 것은 비용을 증가시켰지만, 이것은 증가된 유연성 및 에너지 효율을 제공할 수 있다. 위에서 개설된 바와 같이, 전열성 층(404)의 유연성은 팽창 및 수축으로 인해 중요할 수 있다. 도포되는 전열성 층(404)의 두께는 가열 효과에 영향을 미칠 수 있는데, 왜냐하면 도포되는 전열성 층(404)의 저항이 해당 두께와 직접적으로 상관되어 있기 때문이다. 이러한 관계의 결과로서, 요구되는 전열성 층(404)의 양은, 전력 요건이 증가함에 따라, 증가하고, 이것은 특정 응용에 적합하도록 조정될 수 있다. 실제로, 전열성 합성물에 의해 발생되는 전력은 종종, 이용가능한 전력원(electrical power source)들의 한계들에 의해 한정된다.

전도성 층(406)은 캐소드들 및 애노드들을 전도성 라인들로 형성하는데, 이들을 통해 전열성 층(404)에 전류가 인가될 수 있다. 전도성 층(406)에 전기가 인가될 때 전력이 발생된다. 전열성 층(404)에 의해 발생되는 전력은 인가된 전압의 제곱에 정비례하고 전열성 층(404)의 저항에 반비례한다.

전도성 층(406)은 높은 전기적 전도도를 갖는 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다. 전도성 층(406)은 바람직하게는 또한, 열 팽창, 열 수축, 및 전열성 층(404)에 대한 접착의 측면에서 열 발생 (전열성) 층(404)과의 양호한 통합을 갖는다.

전도성 층(406)은 전열성 층 상에 인쇄될 수 있고, 분사될 수 있고, 또는 그렇지 않다면 도포될 수 있는데, 이것은 수작업으로 행해질 수 있거나 또는 프린터 혹은 CNC 기계로 행해질 수 있다. 전도성 층(406)은 교류 및 직류 전력원들 양쪽 모두와 융화가능하다. 하지만, 실제로, 교류가 일반적으로 더 용이하게 이용가능하다.

바람직하게는, 전도성 층(406)은 높은 전기적 전도도를 갖고, 낮은 열적 민감도를 가지며, 그리고 전열성 층(404)보다 최대 3차수의 크기만큼 더 전도성이 있다. 전열성 층(404)으로서 도포된 구리 포일을 사용하는 것은 결과적으로, 전열성 층(404)으로부터의 포일의 박리 또는 포일/코팅 경계들에서의 균열들의 형성으로 인해, 아크 발생의 위험을 증가시켰다는 것이 발견되었다.

사용 중에, 전열성 층(404)의 전열성 합성물은, 전기가 전도성 층(406)의 전도성 라인들에 제공되는 경우, 가열된다. 복합 물질(400)이 다수의 별개의 층들로 구성되기 때문에, 내구성 및 성능을 보장하기 위해, 각각의 층이 상이한 열 팽창 계수들로 인해서 다른 층들과 융화가능하게 통합되는 것이 바람직할 수 있다.

내구성을 보장하기 위해서, 절연성 층(402)은 바람직하게는, 높은 열 저항을 갖고, 상승된 온도들에서 높은 절연 강도를 가지며, 그리고 실질적으로 결함을 갖지 않는다. 절연성 층(402)에 대해 상업적으로 이용가능한 열 저항성 페인트들을 사용하는 것은 결과적으로, 전열성 층(404)의 전열성 합성물이 상업적으로 이용가능한 열 저항성 페인트들을 부분적으로 용해시킬 수 있다는 것이 발견되었다. 더욱이, 상업적으로 이용가능한 열 저항성 페인트들이, 절연성 층(402)으로서 사용된 경우, 결과적으로 핀홀들을 발생시켰다는 것, 그리고 이러한 페인트들이 적당한 절연 강도를 갖지 않았다는 것, 이것은 또한 상업적으로 이용가능한 열 저항성 페인트들의 가속화된 열화에 기여한다는 것이 발견되었다. 법랑 코팅(porcelain coating)들이 또한 적합하지 않았다는 것이 또한 발견되었다. 법랑 코팅들은 일반적으로, 값비싼 그리고 노동-집약적인 절차들을 사용하여 단단한 몰드 표면들에 도포될 필요가 있다. 더욱이, 법랑 가열은 높은 온도들에서 경화를 요구하고, 그리고 알루미늄 또는 용접된 시트 금속 몰드들에 적용하는데 적합하지 않다.

열 발생 전열성 층(404)은 원하는 전도도를 제공하도록 그리고 열 팽창/수축 동안 기계적 유연성을 갖도록 배합될 수 있다. 실시예들에서, 상이한 유연성 및 경도 또는 강도를 제공하기 위해 적절한 결합제가 사용될 수 있다. 적합한 결합제는 경화되면 모체(matrix)를 형성하고 그리고 산화로부터 전도성 성분들(예컨대, 실버 나노와이어들)을 보호한다.

다-층 복합물에서의 전열성 코팅의 도포(Application of Electrothermic Coating in Multi-Layer Composite)

실시예들에서, 전열성 합성물은, 침지 코팅(dip coating), 분사 코팅(spray coating), 및 바 코팅(bar coating)과 같은 습식-코팅 공정들을 사용하여 코팅으로서 도포된다. 전열성 코팅은 유연하고 순응적이어서, 도 5에서 예시되는 바와 같은 로토몰드 몰드들(500)을 포함하는 상이한 매체들을 사용하여 상이한 형상들에 적합하게 될 수 있다. 실시예들에서, 용매가 성분들의 용해 또는 분산을 위한 매질을 제공하기 위해서 전열성 합성물을 조제할 때 사용된다. 용매는 전열성 합성물이 건조되고 경화됨에 따라 증발하고, 이에 따라 결과적인 전열성 합성물 코팅은 용매를 거의 내지 아예 포함하지 않을 수 있다. 전열성 합성물의 결합제들이 용매에 용해되는 동안, 실버 나노입자들, 나노플레이크들, 및 나노와이어들이 용매 내에 부유된다. 결과로서, 전열성 합성물은 도포 적전에 교반(agitation)을 요구할 수 있다. 초음파 교반이 이러한 목적에 대해 적합하며 전열성 합성물이 도포를 위해 적절한 것이 되도록 만든다는 것이 발견되었다. 이러한 방식으로 도포되는 전열성 합성물은 결과적으로는, 실질적으로 균일한 두께의 층들이 도포되게 할 수 있다는 것이 발견되었다. 실시예들에서, 용매는 톨루엔(toluene) 또는 자일렌(xylene)을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 중량 퍼센트가 5% 미만인 에탄올(ethanol)이 공동의-용매로서 사용될 수 있다.

전열성 합성물 내의 카본-기반 성분들에 관한 일부 관측들이 행해졌다. 카본 나노섬유들은 도포시 분사 노즐(spray nozzle)들을 막히게 하고 전열성 합성물의 표면이 거칠게 되도록 만드는 경향이 있다는 것이 발견되었다. 카본 블랙을 사용하는 것은 전열성 합성물이 결합제 내에서 혼합될 때 더 잘 흐르도록 만든다는 것이 또한 발견되었다.

열 발생 패널들(Heat Generating Panels)

도 6을 참조하면, 실시예에서, 패널(600)이 제공되고 패널(600)은 위에서 설명된 바와 같은 전열성 복합 물질을 포함한다. 패널(600)은 위에서 설명된 바와 같은 전기적으로 절연성인 물질의 층을 포함하는 절연성 층(602)을 포함한다. 위에서 설명된 바와 같은 전열성 합성물을 포함하는 전열성 층(604)이 절연성 층(602)의 상부 상에 도포된다. 애노드(606) 및 캐소드(608)를 포함하는 전극들이 전열성 층(604) 상에 위치한다. 애노드(606) 및 캐소드(608)는 전열성 층(604)의 기하구조의 짜임새에 따라 특정 패턴들로 존재한다. 실시예들에서, 전극들은 애노드(606)와 캐소드들(608) 사이에서 가능한 한 전체 전열성 층(604)에 걸쳐 균일에 가까운 저항을 제공되도록 정렬된다. 저항 차이가 존재하는 경우, 더 많은 전류가 더 작은 저항을 갖는 그러한 경로들을 통해 흐르는 경향이 있을 것이다. 전열성 층(604)에 걸친 결과적인 전류 흐름 차이는 다수의 이유들로 바람직하지 않다. 첫 번째, 열적 차이(thermal differential)가 존재할 수 있고, 이것은 결과적으로 고르지 않은 가열을 일으킨다. 두 번째, 더 많은 전류 흐름을 갖는 그러한 경로들은 더 빠르게 열화되는 경향이 있을 것이다. 애노드(606) 및 캐소드(608)가 거의 균일한 저항이 존재하도록 정렬되어 있는 전도성 층은 전체 관련된 전열성 층(604)에 걸쳐 전류의 거의 동일한 실질적으로 동시에 일어나는 전송을 일으키는 것을 용이하게 한다.

예시를 위해, 도 7a 및 도 7b는 정사각형 패널에 도포된 전열성 합성물의 상이한 정렬들을 보여준다. 도 7a를 참조하면, 정사각형 패널(700)은 절연성 층을 형성하는 물질을 포함한다. 전열성 합성물의 층(702)이 정사각형 패널(700)에 도포된다. 애노드(704)로서 지정된 전극이 정사각형의 하나의 모서리 상에 배치된다. 캐소드(706)로서 지정된 전극이 애노드(704)로부터 반대편 모서리 상에 배치된다. 이러한 정렬에서, 전류는 고르지 않게 흐를 것인데, 이 경우 더 많은 전류가 전극들 사이에서 하나의 선으로 대각선으로 흐른다.

대안적으로, 도 7b를 참조하면, 정사각형 패널(750)에 대해, 이러한 정사각형 패널(750)에는 전열성 합성물의 층(752)이 도포되어 있고, 제1 전극 스트립(electrode strip)(754)이 패널(750)의 제1 가장자리 상에 배치되고, 그리고 제2 전극 스트라이프(electrode stripe)(756)가 제1 가장자리 반대편 제2 가장자리 상에 배치된다. 이러한 정렬은 결과적으로 전극들 사이에서 고른 전류 흐름을 일으킬 수 있다.

열 발생 패널의 생성(Production of Heat Generating Panel)

도 8은, 표면과의 열적 접촉시 표면에 열을 가하기 위한 전열 발생 패널을 만들기 위한 예시적인 방법(800)의 흐름도이다. 방법(800)은 위에서 설명된 가열 발생 패널들의 실시예들을 만들기 위해 사용될 수 있다. 도 8을 참조하면, 블록(802)에서, 위에서 설명된 바와 같은 절연성 층을 포함하는 전기적으로 절연성인 물질의 층이 형성된다. 실시예들에서, 절연성 층은 의도된 응용에 대해 적합한 기하학적 형상에서 균일한 두께의 시트로서 형성된다. 블록(804)에서, 전열성 합성물의 층이 아래에서 설명되는 방법들을 사용하여 절연성 층에 도포된다. 실시예들에서, 전열성 층은 또한 균일한 두께의 시트로 형성되고, 그리고 블록(802)으로부터의 절연성 층의 전부 또는 일부를 덮을 수 있다. 블록(806)에서, 애노드들 및 캐소드들로서 지정된 전극들이 아래에서 설명되는 방법들을 사용하여 전열성 층에 도포된다. 전극들의 패턴들이 위에서 설명된 바와 같이 만들어진다.

이러한 방식으로 도포된 다-층 전열성 복합 코팅은 내구성이 있을 수 있다는 것이 발견되었다. 예에서, 코팅된 기판은 하루 당 25번을 넘는 순환들 및 총 12000번을 넘는 순환들 동안 열적으로 순환되었다. 위에서의 습식-코팅 방법은 가열을 요구하는 표면에 직접적으로 적용될 수 있다. 기판의 특징들에 따라, 다른 처리들이 적절할 수 있다. 예를 들어, 만약 표면이 비-전도성이고 그 밖에 도포에 대해 적절하다면, 전열성 합성물은 절연성 층 없이 표면에 직접적으로 도포될 수 있다. 중요한 것은, 만약 비-전도성 표면에 직접적으로 도포된다면, 실질적으로 균일한 두께의 코팅을 형성하는 것이다. 만약 표면에 대한 전열성 합성물의 접착이 불충분하다면, 프라이머가 이용될 수 있다. 추가적으로, 만약 표면이 오일 및 가스와 같은 유기 물질들에 노출될 수 있다면, 코팅 또는 코팅의 성분들 중 임의의 성분은 또한, 부식 등을 방지하기 위한 물질들을 포함할 수 있다. 절연성 층, 전열성 층, 및 전도성 층에 포함되도록 선택되는 첨가물들은 이들의 의도된 목적이 코팅의 성분들과의 융화성과 균형을 이루도록 할 필요가 있을 수 있다.

전열성 복합물이 목표 표면(가열될 열 표면)에 코팅으로서 직접적으로 도포될 수 있거나, 또는 이후 목표 표면 상에 설치되는 패널을 형성하기 위한 기판(바람직하게는 유연한 열적으로 전도성인 물질들) 상에 도포될 수 있다. 이러한 기판들의 예들은 두꺼운(≥ 0.002 인치) 알루미늄, 강철, 또는 구리 포일들이다. 이러한 기판들은, 전기적으로 절연성인 고열 페인트들의 2개 이상의 코트(coat)들로 덮일 수 있고, 절연성 층들이 확립되도록 230℃에서 적어도 20분 동안 경화될 수 있고, 그 다음에 전열성 합성물로 코팅될 수 있다. 대략 230℃에서 약 20분 동안 전열성 합성물을 경화시킨 후에, 전도성 층이 도포될 수 있다. (선택에 따라서는 절연성 층들을 갖는) 기판, 전열성 합성물, 및 전도성 층의 결합으로 패널이 형성된다.

실시예들에서, 패널은 그 다음에, 가열될 목표 물체 또는 표면에 적용될 수 있다. 패널이 완전히 경화되었다면, 패널은 목표 물체에 열적 전도성 접촉으로 고정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 패널은 패널 및 표면과 융화가능한 접착제로 물체의 표면에 적용될 수 있다. 접착제는 절연성 층과 유사한 특징들을 가질 수 있는데, 여기에는 설계 온도들에 대한 적합하게 높은 열 저항, 상승된 온도들에서의 높은 절연 강도, 그리고 패널 기판 또는 목표 표면과의 반응성의 결핍이 포함된다. 고열 접착제가 패널의 후면 상에 도포될 수 있고, 그리고 예를 들어, 적어도 5분 동안 약 230℃에서 경화될 수 있다. 각각의 경화 단계에서, 페인트의 기포발생(blistering)을 피하기 위해 온도는 점진적으로 또는 다수의 단계들로 증가될 수 있다(예를 들어, 대략 60℃에서 약 5분, 대략 120℃에서 약 2분, 그리고 대략 230℃에서 약 20분). 그 다음에, 패널은 목표 표면 상의 설치를 위해 준비되게 된다.

또 하나의 다른 실시예에서, 접착제가 패널의 후면에 도포될 수 있고, 그 다음에 접착제를 갖는 패널은 비-점착성 릴리즈 라이너(non-stick release liner)에 떼어질 수 있게 접착된다. 그 다음에, 패널은 편리한 형식으로 보관될 수 있고, 선적될 수 있고, 그리고 궁극적으로 목표 표면 상에 설치될 수 있다. 릴리즈 라이너 상의 접착제를 갖는 미리제조된 패널들의 사용은 많은 이점들을 제공하는데, 여기에는 패널들이 사양들에 근거하여 제조 시설에서 형성될 수 있고 원하는 위치로 쉽게 그리고 경제적으로 운송될 수 있는 것이 포함된다. 더욱이, 만약 패널 또는 패널의 일부가 고장난다면, 이것은 간단히 제거될 수 있고 유사한 패널로 교체될 수 있다.

로토몰딩 응용들( Rotomolding Applications)

전열성 합성물을 코팅으로서 또는 패널로서 표면 상에 직접적으로 도포하는 것은, 일반적으로 로토몰딩으로서 지칭되는, 회전식 몰딩(rotational molding) 또는 회전식 주조(rotational casting)의 분야에서 사용될 수 있다. 로토몰딩은 다양한 속이 빈 얇은 벽의 가소성 물품들을 형성하기 위해 널리 사용된다. 로토몰딩은 충전 또는 샷 중량(charge or shot weight)의 가소성 분말 물질로 채워지는 속이 빈 몰드가 가열되는 것을 포함한다. 몰드는 두 개의 직교 축들을 중심으로 느리게 회전될 수 있고, 이것은 연화된 물질이 몰드의 벽들에 분산 및 점착되도록 한다.

로토몰딩은 일반적으로 네 개의 단계들을 포함하는데, 몰드를 조제하는 것, 몰드를 가열하는 것, 몰드를 냉각시키는 것, 그리고 몰드를 떼어내는 것을 포함한다. 몰드를 조제하기 위해, 미리-결정된 양의 중합체 분말 또는 중합성 수지가 속이 빈 몰드 쉘(hollow mold shell) 내부에 배치되고 몰드가 페쇄된다. 지금까지, 로토몰딩 몰드들은 전형적으로는, 사용된 중합체에 따라, 약 260℃ 내지 370℃의 온도 범위들까지 대류, 전도, 또는 복사에 의해 오븐 내에서 가열된다. 몰드가 원하는 수준까지 가열된 후에, 몰드는 일반적으로 오븐으로부터 제거되고 냉각된다. 몰드의 냉각은 전형적으로 (송풍기에 의한) 공기, 물, 또는 때때로 이들 양쪽 모두의 조합으로 행해진다. 가열용 오븐의 요건은 응용에 따라 공간 집약적일 수 있으며 에너지 효율들과 관련되는데(낮은 에너지 효율), 왜냐하면 주변 환경으로의 상당한 열 손실이 존재하기 때문이다.

도 5를 참조하면, 전열성 합성물의 실시예들을 사용하여 열이 가해지는 목표 표면(502)을 갖는 로토몰드(500)가 제공된다. 도 9는 전기화학성 합성물(electrochemical composition)을 사용하여 목표 표면(502)을 가열하기 위한 예시적인 방법(900)이다. 블록(902)에서, 로토몰드가 제공된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "제공하는"은 로토몰드를 만드는 것, 사는 것, 획득하는 것, 또는 다른 방식으로 얻는 것을 지칭한다. 블록(904)에서, 위에서 상세히 설명되는 바와 같은 절연성 층이 목표 표면(502)에 도포된다. 블록(906)에서, 전열성 합성물의 층이 아래에서 설명되는 방식으로 그리고 실시예들에서는, 방법(800)의 블록(804)과 유사한 방식으로, 절연성 층에 도포된다. 블록(908)에서, 애노드들 및 캐소드들로서 지정된 전극들이 아래에서 설명되는 방법들을 사용하여 그리고 실시예들에서는, 방법(800)의 블록(806)과 유사한 방법들을 사용하여, 전열성 층에 도포된다. 블록(910)에서, 전력이 애노드들 및 캐소드들을 통해 제공되고, 이것은 결과적으로, 전열성 합성물 내에 전류가 흐르게 하며, 이것은 결과적으로, 로토몰드(500)를 가열하기 위한 열 에너지를 발생시킨다.

도 10은 목표 표면(502)을 가열하기 위한 대안적인 방법(1000)의 흐름도이다. 블록(1002)에서, 로토몰드가 제공된다. 블록(1004)에서, 위에서의 설명에 따라 만들어진 전열성 패널이 목표 표면(502)에 적용된다. 실시예들에서, 전열성 패널은 위에서 설명된 바와 같은 접착제로 목표 표면(502)에 부착될 수 있다. 블록(1006)에서, 전력이 패널의 애노드들 및 캐소드들을 통해 제공되고, 이것은 결과적으로, 전열성 합성물 내에 전류가 흐르게 하며, 이것은 결과적으로, 로토몰드(500)를 가열하기 위한 열 에너지를 발생시킨다.

전열성 합성물을 통해 로토몰드를 가열하는 것은 더 에너지 효율적일 수 있고 그리고 몰드들을 가열하기 위해 전형적으로 사용되는 대형 오븐에 대한 필요를 없애고, 뿐만 아니라 관련된 장비에 대한 필요를 없앤다. 전열성 합성물이, 복잡한 형상들을 포함하는 다양한 형상들에서 용이하게 형성 또는 도포될 수 있는 능력은 또한, 전열성 합성물의 사용이 로토몰딩에 대해 적합한 것이 되도록 만든다. (예를 들어, 패널들 또는 구역들의 독립적 제어의 사용을 통해) 몰드의 특정 부분들을 다른 부분들과는 다르게 제어할 수 있는 능력은 의도적으로 고르지 않은 벽들을 갖는 구조의 로토몰딩을 가능하게 한다. 더욱이, 합성물은 로토몰딩을 위해 전형적으로 요구되는 온도들을 초과하는 최대 약 350℃까지 기능하는 것으로 발견되었다. 더욱이, 합성물은 가소성 물질을 녹일 수 있는 적당한 열 용량을 갖는 것으로 발견되었고 이에 따라 로토몰딩에 대해 적절한 것으로 발견되었다. 더욱이, 로토몰딩 몰드들을 가열하기 위해 전열성 코팅들을 사용하는 것은 더 자원 효율적인데, 왜냐하면 오븐을 사용한 경우, 몰드는 공정 이후 몰드를 다루기 전에 냉각될 필요가 있고, 이러한 시간 동안 오븐은 다른 몰드들을 가열하기 위해 이용가능하지 않게 되기 때문이다.

전열성 합성물에 대한 다른 응용들은, 가열되지만 종종 전기 전달 부품들(예컨대, 소자들) 및 이와 관련된 구조와 같은 중요한 보조 장치를 요구하는 그러한 물체들을 포함한다. 예를 들어, 바람직한 온도들을 유지하기 위해 가열되는 고온 음료 머그(hot beverage mug)들은 전형적으로 머그-내 또는 기저부 내 전극들을 사용한다. 대신, 머그는 본 명세서에서 설명되는 합성물로 코팅될 수 있고, 이것은 전기적으로 연결성인 장치만을 요구하고(예컨대, 단순화된 기저부), 그리고 합성물의 추가에 의해서만 수정되는 복수의 써드-파티 머그(third-party mug)들의 사용을 가능하게 한다.

전열성 합성물의 실시예들의 다른 응용들은, 바닥들, 벽들, 천장들, 지붕들, 및 홈통들의 가열; 운송 차량들 및 동력 장치들 내의 엔진 오일들의 예열, 배터리들 및 보조 시스템들의 국부적 가열, 오일 및 다른 액체들을 운반하는 자동차들 및 유조선들, 석탄 운반 차량들을 가열하는 것, 그리고 항공기 날개들의 제빙을 위한 것; 그리고 추운-날씨 영향들을 상쇄시키기 위한 것 그리고 가정용/상업용 기기들 및 의료 장치들에 대한 것을 포함하는 다양한 응용들에 대한 미리-제조된 패널들의 사용을 포함한다.

비-전도성 필름에 대한 전열성 코팅의 도포(Application of Electrothermic Coating to Non-Conductive Film)

본 명세서에서 또한 제공되는 것은, 위에서 설명된 전열성 합성물을 포함하는 또 하나의 다른 전열성 복합 물질이다. 예시적인 복합 물질들(1100 및 1200)이 도 11 및 도 12에서 각각 보여진다. 도 11을 참조하면, 이러한 실시예에서의 복합 물질(1100)은 시트의 형태를 갖고, 그리고 비-전도성 기판(1104)에 도포되는 전열성 합성물의 층(1102)을 포함한다. 전열성 합성물의 층(1102) 및 비-전도성 기판(1104)이 완전히 경화되면, 복합 물질(1100)은 기능 패널(function panel)로서 사용될 수 있다. 실시예에서, 비-전도성 기판의 또 하나의 다른 층이, 증진된 탄성 또는 증진된 열 분포와 같은 특징들을 제공하기 위해 사용된다. 도 12를 참조하면, 이러한 실시예에서의 복합 물질(1200)은 시트의 형태를 갖고, 그리고 제1 비-전도성 기판(1204)에 도포되는 전열성 합성물의 층(1202)을 포함하며, 전열성 합성물의 층(1202)은 제1 비-전도성 기판(1204)과 제2 비-전도성 기판(1206) 사이에 끼어있다. 도 13은, 일부 실시예들에 따른, 복합 물질 시트를 만들기 위한 예시적인 방법(1300)의 흐름도이다. 블록(1302)에서, 특정 응용에 대해 적합한 크기 및 형상의 비-전도성 기판이 제공된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "제공하는"은 비-전도성 기판을 만드는 것, 사는 것, 획득하는 것, 또는 다른 방식으로 얻는 것을 지칭한다. 블록(1304)에서, 전열성 합성물이 비-전도성 기판에 도포되어 원하는 패턴으로 전열성 층을 형성한다. 실시예에서, 전열성 층의 패턴은 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 균일한 전류 흐름을 제공하도록 그리고 이에 상응하여 균일한 가열을 제공하도록 설계된다. 블록(1306)에서, 비-전도성 기판의 제2 층이 블록(1304)의 전열성 층을 덮도록 도포된다.

실시예들에서, 비-전도성 기판은 폴리이미드 필름, 폴리이미드 접착성 테이프(polyimide adhesive tape), 금속화된 폴리이미드, 또는 실리콘 고무 필름을 포함한다. 실시예들에서, 비-전도성 기판은, 상승된 온도들에서의 높은 절연 강도, 양호한 열 저항, 양호한 탄성, 양호한 열적 전도도, 및 (유연성을 포함하는) 적합한 기계적 속성들을 갖는다. 실시예들에서, 폴리이미드 필름은 캡톤(Kapton®)이고, 하지만 최대 대략 250℃까지의 온도들에서 적합한 속성들을 갖는 임의의 비-전도성 물질일 수 있다. 폴리이미드 필름 및 실리콘 고무 필름은 전열성 코팅의 접착을 증진시키기 위해 물리적 및 화학적 처리들을 요구할 수 있고, 여기에는 용매들 및 표면 러프닝(surface roughening)으로 표면을 조제하는 것이 포함된다. 캡톤(Kapton®)을 사용하는 실시예들에서, 적절한 결합제가 사용된다면 표면 처리 없이 충분한 접착이 획득될 수 있다. 캡톤(Kapton®)을 포함하는 비-전도성 기판의 두 개의 층들 사이에 전열성 합성물의 층이 끼어 있는 실시예들에서, 접착성 테이프가 사용될 수 있고, 이것은 층들 간의 양호한 접착을 제공한다.

비-전도성 기판이 실리콘 고무를 포함하는 실시예들에서, 실리콘 고무의 층은 필름 도포기(film applicator)를 사용하여 도포되는 두꺼운 페이스트로부터 형성된다. 전열성 합성물은 실리콘 고무가 부분적으로 경화될 때 도포될 수 있는데, 왜냐하면 완전히 경화된 실리콘 고무는 양호한 접착을 제공하지 않을 수 있기 때문이다. 전열성 합성물은 목표 기판 상에 분사됨으로써 또는 CNC 플로터를 사용하여 도포될 수 있다. 실시예들에서, 실리콘 고무 페이스트는 액상 실리콘 고무를 포함하고, 그리고 실리카(silica), 티타늄 옥사이드, 알루미나(alumina), 및 카본 블랙과 같은 더 일반적인 충전제(filler)들 중 하나를 또한 포함할 수 있다.

비-전도성 기판이 표면에 도포되는 실시예들에서, 고열 접착제가 비-전도성 기판의 후면 상에 도포될 수 있고, 그리고 적어도 5분 동안 약 230℃에서 경화될 수 있다. 접착제의 사용은 선택적인 것이고, 그리고 실시예들에서는, 대안적으로 목표 표면에 먼저 도포될 수 있다. 각각의 경화 단계에서, 페인트의 기포발생을 피하기 위해 온도는 점진적으로 또는 다수의 단계들로 증가된다(예를 들어, 60℃에서 5분, 120℃에서 2분, 그리고 230℃에서 20분). 완성된 생성물은 목표 표면 상의 설치를 위해 준비될 수 있다. 아래에서 설명되는 다-층 공정을 사용하는 패널들과 유사하게, 비-전도성 기판은 패널들로 절단될 수 있다.

비-전도성 기판을 사용하는 실시예들은 절연성 층 및 전도성 층의 전도성 라인들에 대한 필요를 없애는데, 이것은 절연성 및 전도성 층들의 통합과 관련된 임의의 문제들을 없애고 파손의 가능성을 감소시킨다.

실시예들에서, 전열성 코팅들은 CNC 플로터를 사용하여 도포된다. 전열성 코팅은, 원하는 전기적 저항을 제공하는 그리고 이에 따라, 요구된 양의 열 에너지를 패널 전체에 걸쳐 균일하게 발생시키는 미리설계된 복잡한 기하학적 패턴들로 기판 상에 그려질 수 있다. 패턴들은 솔리드웍스(SOLIDWORKS®) 솔리드 웍스(Solid Works)와 같은 소프트웨어를 사용하여 설계될 수 있다. 이것은 전극들 간의 균일한 거리를 초래하는 방식으로 전도성 라인들의 배치를 고려하는 것을 요구하지 않는데, 왜냐하면 전류가 전열성 코팅에 직접적으로 인가되기 때문이다. 도 14 내지 도 17을 참조하면, 전열성 코팅들(1402, 1502, 1602, 1702)은 관련된 필름(1400, 1500, 1600, 1700)의 기하구조의 짜임새에 따라 특정 패턴들로 도포될 수 있다. 전압이 인가될 때, 전류가 전열성 합성물의 경로를 따라 진행할 수 있고, 이것은 열 에너지를 발생시킨다.

가열되는 의류 응용들(Heated Clothing Applications)

열이 환경으로 쉽게 손실될 수 있는 응용들에서, 예를 들어, 인체를 가열하기 위해서, 직접적으로 미-기후(micro-climate)에 대한 열 에너지를 목표로 하는 것이 더 효율적이고 매우 중요하게 된다. 신체로부터 주변들로의 열 전달의 속도를 늦추기만 하는 종래의 의복들과는 대조적으로, 의복들 내에 가열 요소들을 내포하는 것은 목표 영역에서 열 에너지를 능동적으로 발생시키는 것을 가능하게 한다. 개인용 가열되는 의복(Personal Heated Garment, PHG)을 사용하는 신체의 능동적 가열은 (신체 움직임을 제한하는 그리고 민첩함을 감소시키는) 두꺼운 다층 의류에 대한 필요를 제거한다. 더 중요한 것으로, 능동적 가열은 신체 열의 주변 환경으로의 불가피한 손실을 보상한다.

본 명세서에서 개시되는 합성물은, 100-마이크론 미만의 두께를 갖는 층으로서 적용되는 경우 그리고 5 내지 12 볼트 배터리 또는 파워 뱅크(power bank)와 같은 상대적으로 낮은 전압 전력원에 연결되는 경우, PHG 응용에 대해 충분한 열을 발생시킬 수 있다. 필름의 층들 사이에 끼어 있음으로써 내포되는 전열성 합성물은 많은 형상들 또는 패턴들로 맞춤제작될 수 있다. 응용들에서, 필름이 인간 피부와 직접적으로 접촉하게 되는 경우, 실리콘 고무의 적절한 등급들이 사용될 수 있다. 실시예들에서, 전열성 합성물은 두 개의 필름 층들 사이에 끼어 있을 수 있고, 이것은 (평방 cm 당 40 mg 미만의) 가벼운 중량을 제공하고, 부드럽고 유연한 생성물을 제공하는데, 이러한 생성물은 초기 크기의 최대 20%까지 신장된 이후 기계적으로 아울러 전기적으로 회복력이 있다. 내포된 전열성 합성물은 독립형 가열 패드로서 기능할 수 있고, 또는 의류에 통합될 수 있다. 단위 면적 당 발생되는 열 에너지는 합성물의 저항 및 전력원의 출력 용량에 의해 결정된다. 열 에너지는 작은 제어기에 의해 용이하게 조정가능할 수 있다.

앞선 내용에 대한 어떠한 제한도 없이, 본 명세서에서 개시되는 합성물들, 복합 물질들, 및 방법들이 또한 아래와 같은 예들에 의해 설명된다. 하지만, 이러한 예들은 예시적 목적들을 위해서만 존재하고 어떠한 방식으로든 본 개시내용의 범위를 제한하도록 의도된 것이 아니라는 것이 이해돼야 한다.

사례 1 - 커플링제를 이용한 나노물질의 처리(Treatment of Nanomaterial with Coupling Agent)

이러한 단계의 예로서, 용액의 pH가 대략 4에 도달할 때까지 교반을 행하면서 약 50 ml의 에탄올에 아세트산이 한 방울씩 첨가될 수 있다. 용액의 온도는 약 75℃까지 증가될 수 있고, 혼합물은 환류(reflux) 하에서 교반될 수 있다. 별도의 용기에서, 에탄올 내의 3-(2-아미노에틸아미노)프로필]트리메톡시실란(3-(2-Aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) 또는 3-글리시딜옥시프로필)트리메톡시실란(3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilanee)의 3.2 mM 용액이 조제될 수 있다. 이러한 3.2 mM 용액의 약 10 ml가 주요 반응 혼합물에 첨가될 수 있다. 그 다음에, 주요 반응 혼합물은 이것의 온도가 안정화될 때까지 대략 5 내지 10분 동안 교반될 수 있다. 평균 입자 크기의 범위(대략 10 내지 12 마이크론 또는 5 내지 9 마이크론)를 갖는 실버 플레이크들의 약 10 그램이, 자력 교반기(magnetic stirrer)로 대략 500 RPM에서 교반을 행하면서, 혼합물에 첨가될 수 있다. 교반은 약 1시간 동안 계속될 수 있고, 그 후에 반응은 약 25℃의 수조(water bath)에 반응 용기(reaction vessel)를 침지시킴으로써 정지될 수 있다. 대략 1500 RPM 정도에서 원심분리(centrifugation)에 의해 반응 생성물의 고형분(solid content)이 분리될 수 있다. 침전물(precipitate)은 에탄올로 3번, 아세톤으로 한 번, 그리고 증류수(distilled water)로 2번 세척될 수 있다. 세척은, 약 50 ml의 용매(에탄올, 아세톤, 또는 물)를 침전물에 첨가하는 것, 초음파 처리 요동에 의해 침전물의 실질적으로 모든 성분들을 분산시키고 그리고 또는 용해시키는 것, 그리고 대략 1500 RPM에서 원심분리에 의해, 용해된 성분으로부터 실버 플레이크들을 분리시키는 것을 포함한다. 세척의 각각의 단계에서, 상청액(supernatant)은 버려질 수 있고, 그리고 침전물은 수집될 수 있다. 세척이 완료된 후에, 처리된 실버 플레이크들은 주변 온도에서 적어도 24시간 동안 건조될 수 있다.

사례 2 - 실리콘 수지 중간체들을 이용한 나노물질의 처리(Treatment of Nanomaterial with Silicone Resin Intermediates)

이러한 단계의 예로서, 카르복실 혹은 히드록실 기능화된 다중벽 카본 나노튜브들이 약 150 ml 톨루엔에 첨가될 수 있다. 혼합물은 적어도 10분 동안 실내 온도에서 자석으로 교반될 수 있고, 그 다음에 적어도 20분 동안 초음파 처리될 수 있다. 이러한 공정은 3번 반복될 수 있다. 약 10 내지 20 ml의 다우실(DOWSIL™) 3074(바람직함) 또는 다우실(DOWSIL™) 3037이 혼합물에 첨가될 수 있고, 적어도 10분 동안 교반될 수 있다. 이러한 혼합물은 대략 50℃에서 약 30분 동안 초음파 처리될 수 있고, 그리고 어떠한 추가 수정 없이 다음 단계에서 사용될 수 있다.

사례 3 - 희석된 결합제 수지 내의 나노물질의 분산(Dispersion of Nanomaterial in Diluted Binder Resin)

이러한 단계의 예로서, 약 30 ml의 전열성 합성물을 산출할 수 있는 조제 절차에서, 약 2 그램의 실버 나노와이어(평균 직경은 대략 60 nm로부터 120 nm까지의 범위에 있고, 평균 길이는 대략 15로부터 50 ㎛까지의 범위에 있음)가 약 2.3 ml의 에탄올에서 대략 1분 동안 초음파 처리에 의해 부분적으로 분산될 수 있다. 약 11.5 ml의 단일-성분 또는 복수-성분 실리콘 수지가 첨가될 수 있다. 수지는 점도 요건에 따라 약 11.5 ml 내지 23 ml 톨루엔으로 희석될 수 있다. 이러한 배합에서 사용될 수 있는 실리콘 수지들은, 다우실(DOWSIL™) RSN-0805, 다우실(DOWSIL™) RSN-0806, 다우실(DOWSIL™) 2405, 그리고 RSN-0805 및 RSN-0806 수지들의 혼합(blend)들을 포함하고, 여기서 혼합들의 성분 범위는 20/80 중량 백분율(weight percentage)(RSN-0805/RSN-0806)로부터 대략 80/20 중량 백분율까지이다. 혼합물은 자력 교반기로 약 10분 동안 교반될 수 있고, 그리고 대략 2분 동안 초음파 처리될 수 있다. 이것은 혼합물이 시각적으로 균질이 될 때까지 적어도 4번 반복될 수 있다. 그 다음에, 22 그램의 처리된 실버 플레이크가 혼합물에 첨가될 수 있다. 만약 다우실(DOWSIL™) 2405가 결합제 수지로서 사용된다면, 0.15 g 내지 0.3 g 티타늄 (IV) 부톡사이드(titanium (IV) butoxide)가 경화 촉매로서 첨가될 수 있다. 혼합물은 다시, 실버 플레이크들이 균일하게 분산될 때까지 수차례 교반 및 초음파 처리될 수 있다. 보관 시간에 따라, 합성물은 표면 상에 도포되기 전에 초음파 처리(적어도 1분) 및 교반(적어도 2분)을 요구할 수 있다.

사례 4 - 희석된 결합제 수지 내의 나노물질의 분산(Dispersion of Nanomaterial in Diluted Binder Resin)

이러한 단계의 예로서, 약 2.5 그램의 실버 나노와이어(평균 직경은 대략 60 nm 내지 120 nm이고, 평균 길이는 대략 15 내지 50 ㎛임)가 먼저, 약 8 ml의 에탄올 및 약 40 ml 단일-성분 또는 복수-성분 실리콘 수지에 의해, 실내 온도에서 초음파 처리 및 교반의 다수의 순환들을 통해, 처리될 수 있다. 이러한 배합에서 사용될 수 있는 실리콘 수지들은, 다우실(DOWSIL™) RSN-0805, 다우실(DOWSIL™) RSN-0806, 다우실(DOWSIL™) 2405, 그리고 RSN-0805 및 RSN-0806 수지들의 혼합들을 포함하고, 여기서 혼합들의 성분 범위는 20/80 중량 백분율(RSN-0805/RSN-0806)로부터 약 80/20 중량 백분율까지이다. 혼합물은 약 5분 동안 교반될 수 있고, 그리고 약 5분 동안 초음파 처리될 수 있으며, 그리고 적어도 세 번 반복될 수 있다. 약 18 그램의 표면 처리된 실버 플레이크들, 약 18 그램의 표면 처리된 실버 나노입자들, 및 약 40 ml의 툴루엔이 혼합물에 첨가될 수 있다. 혼합물은 균일한 분산이 획득될 때까지 연속적으로 초음파 처리 및 교반될 수 있다. 최대 약 40 ml의 툴루엔이, 최종 생성물의 도포 전에, 혼합물의 점도를 조정하기 위해 첨가될 수 있다.

사례 5 - 희석된 결합제 수지 내의 나노물질의 분산(Dispersion of Nanomaterial in Diluted Binder Resin)

이러한 단계의 예로서, 약 1.5 그램의 실버 나노와이어(평균 직경은 약 60 nm로부터 120 nm까지의 범위에 있고, 평균 길이는 약 15로부터 50 ㎛까지의 범위에 있음)가 대략 2.4 ml의 에탄올에서 약 1분 동안 초음파 처리에 의해 부분적으로 분산될 수 있다. 대략 12 ml 톨루엔으로 희석된 약 12 ml의 단일-성분 또는 복수-성분 실리콘 수지가 첨가될 수 있다. 이러한 배합에서 사용될 수 있는 실리콘 수지들은, 다우실(DOWSIL™) RSN-0805, 다우실(DOWSIL™) RSN-0806, 다우실(DOWSIL™) 2405, 그리고 RSN-0805 및 RSN-0806 수지들의 혼합들을 포함하고, 여기서 혼합들의 성분 범위는 20/80 중량 백분율(RSN-0805/RSN-0806)로부터 80/20 중량 백분율까지이다. 혼합물은 자력 교반기로 약 10분 동안 교반될 수 있고, 그리고 약 2분 동안 초음파 처리될 수 있다. 이것은 혼합물이 시각적으로 균질이 될 때까지 적어도 4번 반복될 수 있다. 단계 3에서 조제된 대략 11.52 ml의 카본 나노튜브 분산물 및 대략 22 그램의 처리된 실버 플레이크들이 앞서의 혼합물에 첨가되었다. 만약 다우실(DOWSIL™) 2405가 결합제 수지로서 사용된다면, 대략 0.15 g 내지 0.3 g 티타늄 (IV) 부톡사이드가 선택에 따라서는 경화 촉매로서 첨가될 수 있다. 혼합물은 다시, 실버 플레이크들 및 카본 나노튜브들이 균일하게 분산될 때까지 수차례 교반 및 초음파 처리될 수 있다. 이러한 절차는 대략 40 ml 전열성 합성물을 산출할 수 있다. 보관 시간에 따라, 합성물은 표면 상에 도포되기 전에 약간의 용매를 첨가하는 것, 초음파 처리(적어도 1분) 및 교반(적어도 2분)을 요구할 수 있다.

사례 6 - 희석된 결합제 수지 내의 나노물질의 분산(Dispersion of Nanomaterial in Diluted Binder Resin)

이러한 단계의 예로서, 약 700 ml의 전열성 합성물을 조제하기 위해서, 단계 3에서 조제된 대략 98 ml의 카본 나노튜브 분산물이, 약 260 ml 톨루엔이 첨가되어 희석된 대략 145 ml의 단일-성분 또는 복수-성분 실리콘 수지에 첨가될 수 있다. 이러한 배합에서 사용될 수 있는 실리콘 수지들은, 다우실(DOWSIL™) RSN-0805, 다우실(DOWSIL™) RSN-0806, 그리고 이들의 혼합들을 포함하고, 여기서 혼합들의 성분 범위는 약 20/80 중량 백분율(RSN-0805/RSN-0806)로부터 약 80/20 중량 백분율까지이다. 혼합물은 오버헤드 교반기(overhead stirrer)로 약 5분 동안 교반되고, 그리고 대략 15분 동안 초음파 처리된다. 이것은 적어도 2번 반복될 수 있다. 약 38.25 g의 표면-처리된 실버 플레이크가, 대략 60 ml 톨루엔과 함께 첨가될 수 있다. 혼합물은 오버헤드 교반기로 약 5분 동안 교반되고, 그리고 약 15분 동안 초음파 처리된다. 이것은 적어도 2번 반복될 수 있다. 약 6.12 g 카본 블랙, 바람직하게는 불칸(VULCAN®) 엑스씨맥스(XCmax™) 22와 같은 높은 전도성의 카본 블랙, 및 약 40 ml 툴루엔이 첨가될 수 있다. 이러한 단계에서, 페인트는 약 5분 동안 교반될 수 있고, 그리고 약 5분 동안 한 번만 초음파 처리될 수 있다. 이전의 배합과 마찬가지로, 이러한 합성물은 바람직하게는, 도포 전에 초음파 처리 및 교반된다.

사례 7 - 희석된 결합제 수지 내의 나노물질의 분산(Dispersion of Nanomaterial in Diluted Binder Resin)

이러한 단계의 예로서, 약 2 그램의 실버 나노와이어(평균 직경은 대략 60 nm로부터 120 nm까지의 범위에 있고, 평균 길이는 대략 15로부터 50 ㎛까지의 범위에 있음)가 약 2.5 ml의 에탄올에서 약 1분 동안 초음파 처리에 의해 부분적으로 분산될 수 있다. 부분적으로 분산된된 나노와이어들은, 대략 5 내지 6 ml의 단일-성분 또는 복수-성분 실리콘 수지로 처리된다. 이러한 배합에서 사용될 수 있는 실리콘 수지들은, 다우실(DOWSIL™) RSN-0805, 다우실(DOWSIL™) RSN-0806, 그리고 RSN-0805 및 RSN-0806 수지들의 혼합들을 포함하고, 여기서 혼합들의 성분 범위는 약 20/80 중량 백분율(RSN-0805/RSN-0806)로부터 약 80/20 중량 백분율까지이다. 혼합물은 자력 교반기로 약 5분 동안 교반될 수 있고, 그리고 대략 45±5℃의 온도에서 약 4분 동안 초음파 처리될 수 있다. 이것은 혼합물이 시각적으로 균질이 될 때까지 적어도 4번 반복될 수 있다. 혼합물은, 원하는 온도를 유지하기 위해 그리고 균질성을 개선하기 위해, 최대 약 25 ml의 툴루엔으로 희석될 수 있다. 약 20g 내지 30g의 실버 플레이크가 첨가될 수 있고, 그리고 혼합물은 실버 플레이크들이 균일하게 분산될 때까지 수차례 교반 및 초음파 처리될 수 있다. 약 20 그램의 2-파트 액상 실리콘 고무(two-part liquid silicone rubber)가 첨가된다. 액상 실리콘 고무의 파트 A 대 파트 B 비율들은 제조자의 지시들에 따라 설정될 수 있다. 이러한 배합에서 사용되는 액상 실리콘 고무 화합물은, 쇼어 A 경도(shore A hardness)의 범위가 30으로부터 60까지인 실래스틱(SILASTIC™) RBL-9200을 포함하고, 실래스틱(SILASTIC™) MS-1002, 실래스틱(SILASTIC™) 9252, 및 실래스틱(SILASTIC™) 9151-200P를 포함하지만, 이러한 것으로만 한정되는 것은 아니다.

그 다음에, 혼합물은 탄성중합체 성분(elastomeric ingredient)의 조기 경화를 피하기 위해 대략 25℃에서 활발히 교반될 수 있고 초음파 처리될 수 있다. 이러한 절차는 대략 60 ml의 신장가능한 전열성 합성물을 산출할 수 있다. 보관 시간에 따라, 합성물은 표면 상에 도포되기 전에 약간의 용매를 첨가하는 것, 초음파 처리(적어도 1분) 및 교반(적어도 2분)을 요구할 수 있다.

비록 몇 개의 실시예들이 보여졌고 설명되었어도, 다양한 변경들 및 수정들이 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들에 대해 행해질 수 있다는 것, 즉, 그 범위, 의도, 또는 기능을 변경하거나 이로부터 벗어남이 없이 이러한 실시예들에 대한 다양한 변경들 및 수정들이 행해질 수 있다는 것이, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들에 의해 이해될 것이다. 앞서의 상세한 설명에서 사용된 용어들 및 표현들은 본 명세서에서 설명의 측면으로서 사용됐된 것이지 한정의 측면으로서 사용된 것이 아니었고, 그리고 이러한 용어들 및 표현들의 사용에서, 본 명세서에서 보여지고 설명되는 특징들의 등가물들 또는 그 일부분들을 배제하는 의도는 존재하지 않는다.

Claims

전도성 나노물질(conductive nanomaterial)의 망상체(network) 및 결합 성분(binding component)을 포함하는 전열성 합성물(electrothermic composition)로서,
상기 나노물질은 상기 전열성 합성물의 질량(mass)의 10%와 80% 사이에 있고,
상기 전열성 합성물은 0.05 옴(ohms)/cm²와 35 옴/cm² 사이의 저항률(resistivity)을 갖는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제1항에 있어서,
상기 나노물질은 상기 전열성 합성물의 질량의 40%와 70% 사이에 있고,
상기 전열성 합성물은 0.08 옴/cm²와 10 옴/cm² 사이의 저항률을 갖는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전도성 나노물질은, 나노와이어(nanowire)들, 나노튜브(nanotube)들, 나노플레이크(nanoflake)들, 나노입자(nanoparticle)들, 또는 이들의 조합들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제3항에 있어서,
상기 전도성 나노물질은 상기 나노와이어들을 포함하고,
전도성 나노물질의 상기 망상체는 상기 나노와이어들의 상호연결된 스트랜드(strand)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제4항에 있어서,
전도성 나노물질의 상기 망상체는 또한, 상기 나노플레이크들 및 상기 나노입자들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 상호연결된 스트랜드들은,
약 35와 250 nm 사이의 평균 직경을 갖고,
약 8과 60 ㎛ 사이의 평균 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제6항에 있어서,
상기 상호연결된 스트랜드들은,
약 55와 176 nm 사이의 평균 직경을 갖고,
약 14와 30 ㎛ 사이의 평균 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제6항 또는 제7항에 있어서,
전도성 나노물질의 상기 망상체는 10 nm보다 작은 평균 망상체 메쉬 크기(average network mesh size)를 갖는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 전도성 나노물질은 실버 나노물질(silver nanomaterial)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 전열성 합성물은 또한 적어도 하나의 카본 성분(carbon component)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제10항에 있어서,
상기 적어도 하나의 카본 성분은, 카본 나노튜브들, 카본 나노섬유(carbon nanofiber)들, 나노-그래파이트(nano-graphite), 및 카본 블랙(carbon black) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 결합 성분은 실리콘 수지(silicone resin)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열성 합성물.
표면(surface)과의 접촉시 상기 표면에 열을 가하기 위한 전열 발생 패널(electrical heat generating panel)로서,
상기 전열 발생 패널은,
전기적으로 절연성인 물질을 포함하는 제1 층과;
청구항 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항의 전열성 합성물을 포함하는 제2 층과, 여기서 상기 제2 층은 상기 제1 층 상에 배치되며; 그리고
상기 제2 층 상에 패턴(pattern)을 갖도록 정렬되는 양의 그리고 음의 전극들을 포함하는 제3 층을
포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 패널.
제13항에 있어서,
상기 제2 층으로부터 멀리 있는 상기 제1 층의 면(side)에 열-전도성 접착제(thermal-conductive adhesive)의 층이 도포되고,
상기 열-전도성 접착제를 포함하는 상기 패널의 면은 제거가능한 지지 시트(removable backing sheet) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 전열 발생 패널.
열을 발생시키기 위한 전열 발생 필름 시트(electrical heat generating film sheet)로서,
상기 전열 발생 필름 시트는,
비-전도성 필름의 시트를 포함하는 제1 층과; 그리고
청구항 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항의 전열성 합성물을 포함하는 제2 층을 포함하고,
상기 제2 층은 상기 제1 층 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 전열 발생 필름 시트.
제15항에 있어서,
상기 전열 발생 필름 시트는 또한, 상기 제2 층을 덮기 위한 비-전도성 필름의 시트를 포함하는 제3 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 필름 시트.
제15항 또는 제16항에 있어서,
비-전도성 필름의 상기 시트는 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 필름 시트.
제15항 또는 제16항에 있어서,
비-전도성 필름의 상기 시트는 폴리이미드(polyimide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 필름 시트.
표면과의 열적 접촉시 상기 표면에 열을 가하기 위한 전열 발생 패널을 제조하는 방법으로서,
상기 방법은,
전기적으로 절연성인 물질의 층을 형성하는 것과;
전기적으로 절연성인 물질의 상기 층 상에 전열성 합성물의 층을 형성하는 것과; 그리고
전열성 합성물의 상기 층 상에 양의 그리고 음의 전극들을 형성하는 것을
포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 패널을 제조하는 방법.
제19항에 있어서,
전열성 합성물의 상기 층은 실버 나노물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 패널을 제조하는 방법.
열을 발생시키기 위한 전열 발생 필름 시트를 제조하는 방법으로서,
상기 방법은,
비-전도성 필름의 제1 층을 형성하는 것과; 그리고
상기 제1 층 상에 전열성 합성물의 층을 형성하는 것을
포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 필름 시트를 제조하는 방법.
제21항에 있어서,
상기 방법은 또한, 전열성 합성물의 상기 층을 덮기 위한 비-전도성 필름의 제2 층을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 필름 시트를 제조하는 방법.
제21항 또는 제22항에 있어서,
전열성 합성물의 상기 층은 실버 나노물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열 발생 필름 시트를 제조하는 방법.
전열성 합성물로 가열을 위한 표면을 조제(preparing)하는 방법으로서,
상기 방법은,
하나 이상의 열 전달 표면들을 갖는 비-전기 전도성 물질(non-electrically conductive material)로 구성된 몰드(mold)를 제공하는 것과;
상기 하나 이상의 열 전달 표면들에 상기 전열성 합성물의 층을 도포하는 것과; 그리고
상기 전열성 합성물의 상기 층에 전극들을 적용하는 것을
포함하는 것을 특징으로 하는 가열을 위한 표면을 조제하는 방법.
제24항에 있어서,
상기 몰드는 전기적으로 전도성인 물질의 하나 이상의 열 전달 표면들을 포함하고,
상기 방법은 또한, 상기 전열성 합성물의 상기 층을 도포하기 전에, 상기 열 전달 표면들에 전기적으로 절연성인 물질의 층을 도포하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열을 위한 표면을 조제하는 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
전열성 합성물의 상기 층은 실버 나노물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열을 위한 표면을 조제하는 방법.