KR970003210B1 - 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치 - Google Patents
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Abstract
내용없음
Description
제1도는 본 발명의 전기적 장치의 평면도.
제2도는 본 발명의 전기적 장치의 단면도.
제3도는 본 발명에 의해 제조된 미러히터의 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전기적 장치 2 : 저항요소
3, 4 : 전극 5, 6 : 커넥터
본 발명은 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치에 관한 것이다.
전도성 중합체, 히터, 회로보호장치, 센서 및 이들로 이루어지는 기타의 전기적 장치들은 이미 공지되어 있다. 이들에 대한 관련기술을 예로 들면 미국특허 제3,823,217, 3,858,144, 3,861,029, 3,914,363, 4,085,286, 4,177,376, 4,177,446, 4,188,276, 4,223,209, 4,237,441, 4,238,812, 4,242,573, 4,255,698, 4,272,471, 4,286,376, 4,304,987, 4,314,230, 4,317,027, 4,318,220, 4,327,351, 4,329,726, 4,330,703, 4,388,607, 4,421,582, 4,426,339, 4,426,633, 4,429,216, 4,413,301, 4,442,139, 4,445,026, 4,475,138, 4,450,496, 4,534,889, 4,543,474, 4,545,926, 4,560,498, 4,574,188, 4,582,983, 4,654,511, 4,658,121, 4,659,913, 4,689,475, 4,700,054, 4,719,335, 4,722,853, 4,733,057, 4,761,541호 및 1986년 1월 14일자 출원된 미국특허 출원번호 제818,846호(MP 1100-US1)와 1987년 5월 20일자 출원된 미국특허 출원번호 제53,610호(MP 0897-US6) 및 1987년 7월 21일자 출원된 미국특허 출원번호 제75,929호(MP 1100-US2)가 있다. 상기 각각의 특허 및 특허출원은 본 명세서에 참고로 언급되어 있다.
층상 전도성 중합체 기판으로 이루어지는 전기적 장치 역시 이미 알려져 있는 것이다. 예를 들면, 미국특허 제4,330,703호(호르스마, 외)는 자기조정 가열 부재를 기술하고 있는데, 전압인가시 전류가 양의 저항온도계수(PCT) 상태를 나타내는 층 두께의 적어도 일부를 흐른 다음, 제로의 저항온도계수(ZTC 또는 일정 와트량) 상태를 나타내는 연속층을 통해 흐르도록 설계되어 있다. 미국특허 제4,719,335호(배틀리왈라, 외) 및 계류중인 특허출원 51,438호와 53,610호(이들 출원 공히 배틀리왈라, 외)는 양의 저항온도계수(PCT)판에 부착되는 손가락을 끼는 형태의 전극 패턴으로 이루어지는 자기조정히터를 기술하고 있다. 상기 전극 패턴은 히터의 표면상에 상이한 출력밀도를 발생시키기 위해 변경될 수 있으며, 어느 실시예에 있어서 전극은 저항성으로 되어 히터가 통전시 열을 공급하도 한다. 미국특허 제4,628,187호(세끼구찌, 외)는 절연 기판상에 위치된 한쌍의 전극이 양의 저항온도계수 전도성 중합체 페이스트를 구성하는 저항층에 의해 연결되는 가열요소를 기술하고 있다. 미국특허 제3,221,145호(헤이거)는 전도성 에폭시, 접착필름 또는 서멧과 같은 "반절연"층에 의해 분리된 금속판 전극으로 이루어지는 대영역가요성 히터를 기술하고 있다. 이들 히터에 있어서 전도성 중합체층은 2차 열원이며, 전극의 주요기능은 전류의 전달이다. 결과적으로, 히터의 저항안정성은 전도성 중합체의 저항안정성의 주요기능이다. 더우기, 히터는 전극의 길이에 따른 전압강하의 결과로서 히터의 표면에 걸쳐 출력밀도를 불균일하게 할 수 있다.
일본특허 출원 제59-116493호는 2개의 전극이 전도성 중합체 매트릭스에 매립되어 있는 스트립 히터를 기술하고 있는데, 상기 전극 중 적어도 하나는 0.1 내지 5Ω/m사이의 저항을 갖는 "고저항"전극이다. 이러한 형태의 히터에 있어서, 열은 전도성 중합체와 저항성 전극에 의해 발생된다. 이와 같은 설계는 공지의 길이 및 배치를 갖는 히터에 대해서나 유용하나, 예컨대 전극들 사이의 거리와 같은 히터의 외형 치수나 저항성 전극 또는 전도성 중합체의 저항율을 변경함이 없이는 소정전압에서의 출력을 용이하게 변경할 수 없다.
본 발명은 저항온도계수 특성을 나타내고, 저유입특성을 가지며, 저항 안정성을 갖고, 장치의 표면상에 균일한 출력분포를 발생하도록 설계되며, 층상의 전도성 중합체 기판의 표면에 부착된 저항성 전극의 사용에 의해 제작될 수 있는 전기적 장치에 착안하였다.
따라서, 본 발명의 일관점에 의하면 하기한 바와 같이 이루어지는 전기적 장치가 제공되는데, 상기 전기적 장치는, (1) (a) 저항온도계수 특성을 나타내고, (b) 유기 중합체와 중합체에 분산된 입자상 전도성 충전제를 포함하며, (c) 용융온도(Tm)를 갖는 전도성 중합체 성분으로 구성되는 층상 저항층 요소와 (2) 전원에 연결될 수 있고, (a) 1.0×10-6내지 1.0×10-2Ω-cm의 저항율을 갖고 (b) 상기 용융온도(Tm) 이하의 온도에서 제로의 저항온도계수 특성을 나타내는 재료로 구성되는 2개의 전극으로 구성되며, 상기 전극들은 (ⅰ) 길이 대 폭의 비가 적어도 1,000 : 1이 되도록 0.1 내지 1,000,000인치의 길이(ℓ)와 0.005 내지 10인치의 폭(w)을 각각 갖고 있고, (ⅱ) 0.0001 내지 0.01인치의 두께를 각각 가지며, (ⅲ) 0.1 내지 10,000Ω의 저항(Re)을 각각 갖고 있고, (ⅳ) 편평한 층상 표면의 저항요소에 각각 부착되며, (ⅴ) 저항요소의 표면 영역의 10 내지 90%를 함께 덮고 있고, 상기 저항요소는 저항(Re)보다 적은 저항(Rcp)을 갖고 전원에 연결시 0.1 내지 10,000Ω의 저항을 가지며 상기 전기적 장치는 저항(Rh)을 갖고, 상기 저항(Re, Rcp 및 Rh)은 전체 장치가 23℃의 균일한 온도로 있는 상태에서 전극이 전원에 최초 접속시 측정되는 것을 특징으로 하고 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.
본 발명의 장치에 사용된 저항요소는 입자상 전도성 충전제가 분산되어 있는 중합체 성분으로 구성되는 전도성 중합체를 포함한다. 중합체 성분은 결정질 유기 중합체 또는 적어도 하나의 결정질 유기 중합체를 포함하는 블렌드가 바람직하다.
충전제는 카본블랙, 흑연, 금속, 금속산화물 또는 이들의 혼합으로 될 수 있다.
어떤 경우에도, 충전제는 전도성 중합체의 입자를 포함하는 그 자체일 수도 있다. 이와 같은 입자는 중합체 성분에 분포되어 그 안에서 그의 동질성을 유지한다. 전도성 중합체는 또한, 산화방지제, 불활성 충전제, 프로라드(prorad), 안정제, 분산제 또는 가타 성분으로 이루어질 수도 있다. 전도성 충전제가 잉크 또는 페이스트의 형태로 기판에 가해질 때, 용매는 조성물의 성분일 수도 있다. 전도성 충전제 또는 기타 성분의 분산은 건조블렌딩, 용융처리, 로울분쇄, 혼합이나 소결, 또는 성분들을 적절히 혼합시키는 다른 공정에 의해 성취될 수 있다. 저항요소는 화학수단 또는 조사에 의해 교차 결합될 수도 있다.
23℃에서의 전도성 중합체의 바람직한 저항율은 저항요소와 사용될 전원에 좌우되나, 일반적으로 0.1 내지 100,000Ω-cm사이, 바람직하게는 1 내지 1,000Ω-cm사이, 특히 10 내지 1,000Ω-cm사이로 된다. 6 내지 60V 직류로 통전되는 히터로서 사용하기 위해 적합한 전기적 장치에서, 전도성 중합체의 저항율은 10 내지 1,000Ω-cm가 바람직하며, 110 내지 240V 교류로 통전시의 저항율은 1,000 내지 10,000Ω-cm가 바람직하다. 교류 240V 이상의 전압으로 통전된 장치에 대해서는 이보다 높은 저항율이 바람직하다.
저항요소로 구성되는 조성물은 융점 아래의 온도곡선과 곡선의 경사부 대로그저항율의 비교적 평탄부에 접해 이끌리는 선들의 교점에서의 온도로서 규정되는 스위칭 온도(Ts)를 갖는 양의 저항온도계수 특성을 나타낸다. 저항요소가 일층이상으로 이루어질 경우 요소의 합성층은 양의 저항온도계수 특성을 나타내야 한다. 스위칭 온도는 전도성 중합체 조성물의 용융온도(Tm)와 같거나 약간 그 이하일 수 있다.
용융온도는 중합체상에 측정된 시차주사열분석기(DSC) 곡선의 피크에서의 온도로서 한정된다. "양의 저항 온도계수 특성을 나타내는 조성물"이란 용어는 적어도 R14값이 2.5 또는 적어도 R100값이 10 및 바람직하게는 적어도 R30값이 6을 갖는 조성물을 표시하기 위해 본 명세서에 사용되는 것으로, 상기 R14는 14℃범위의 단부와 시작점에서의 저항율의 비이고, R100은 100℃범위의 단부와 시작점에서의 저항율의 비이며, R30은 30℃범위의 단부와 시작점에서의 저항율의 비이다. 이런 경우에, 전도성 중합체 조성물은 (Ts+20)℃, 바람직하게는 (Ts+40)℃, 특히 (Ts+75)℃의 온도범위 (Ts)에서 감소되지 않은 저항율을 가져야 한다.
저항요소는 층상으로 적어도 하나의 대체적인 평탄면으로 이루어진다. 전기적 장치의 소정 가요성 및 저항에 따라 저항요소는 통상적으로 0.0001 및 0.10인치 사이의 두께이나 어떠한 적절한 두께라도 좋다. 저항요소가 용융압출 전도성 중합체로 이루어질 경우 그 두께는 0.005 내지 0.100인치 사이, 바람직한 것은 0.010 내지 0.050인치 사이, 특히 0.010 내지 0.025인치 사이가 좋다. 전도성 중합체가 중합체 후막으로 이루어질 경우, 저항요소의 두께는 0.0001 내지 0.005인치 사이, 바람직하게는 0.0005 내지 0.003인치 사이, 특히 0.001 내지 0.003인치 사이가 좋다. 상기 경우에 있어서, 그 위에 전도성 중합체 필름이 피복되는 기판은 폴리에스터 또는 폴리에틸렌과 같은 중합체 필름이나 시이트, 제2전도성 중합체 시이트, 알루미늄 또는 다른 세라믹과 같은 절연재료, 도는 파이버글라스와 같은 다른 적절한 재료일 수도 있다. 저항요소의 영역은 어떠한 사이즈라도 좋으며, 대부분의 히터는 10 내지 200in2의 영역을 갖는다.
저항요소의 저항(Rcp)은 저항요소의 배치, 전극패턴과 저항 및 전도성 중합체의 저항율의 기능을 한다.
대부분의 경우, 상기 저항(Rcp)은 0.01 내지 1,000Ω, 바람직하게는 0.1 내지 100Ω, 특히 1 내지 100Ω이 좋다.
본 발명의 전극은 전류를 수반하여 I2R과 같은 가열을 통해 열을 제공하는 작용을 한다. 상기 전극은 1.0×10-6내지 1×10-2Ω-cm의 저항율을 갖는 재료, 특히 금속을 포함하는 잉크와 같은 금속이나 재료로 이루어진다. 바람직한 재료는 구리이며, 특히 적절한 전극패턴으로 공지기술에 의해 에칭된 전착 또는 냉각압연된 구리가 좋다. 다른 적절한 재료는 저항요소 위로 프린트된 후만 잉크 또는 저항요소 위에 진공 증착되거나 스퍼터링된 금속들이다.
대부분의 경우 전극들은 저항요소 위로 직접 프린트 또는 에칭되나, 어떤 경우에는 저항요소 위로 적층되는 별도의 층위에 증착될 수도 있다.
전극은 주요온도 범위에 걸쳐 제로의 저항온도계수(ZTC) 특성을 나타낸다. "제로의 저항온도계수"란 용어는 저항요소의 스위칭 온도(Ts)치 이하의 30℃ 온도 범위에서 6배 이하, 바람직하게는 2배 이하로 저항율이 증가하는 조성물을 표시하기 위해 사용된다. 전극들로 이루어지는 재료는 저항요소로 이루어지는 전도성 중합체의 스위칭온도(Ts) 이상의 온도에서의 양의 저항온도계수 또는 음의 저항온도계수일 수도 있다. 전기적 장치의 저항 안정성은 전도성 중합체의 저항 안정성에 영향을 주는 산화물 및 기타 다른 공정에 대해 덜 영향을 받는 전극들의 제공에 의해 향상되는데, 그 이유는 전극들이 일반적으로 금속으로 이루어지기 때문이다.
전극은 꾸불꾸불한 패턴이 바람직하나, 예컨대 나선형이나 일직선과 같이 전기적 경로로서 허용가능한 저항을 발생하는 것이라면 어떠한 현상의 패턴이라도 무방하다. 전극은 저항요소의 반대면이나 동일평면상에 위치될 수 있다. 전극이 반대면상에 위치될 경우는 경로가 층상 저항요소의 표면에 대체로 수직으로 되어 미량의 전류만이 저항요소의 표면에 평행하게 흐르도록 하기 위해 상기 전극들이 서로 직접 대향하여 위치되는 것이 바람직하다. 전기적 접속이 전기회로의 대향 단부에서의 전극들에 행해지는데, 이들 "단부"는 서로 인접할 수 있으나, 회로의 대향단부들에는 전기적 접속이 이루어진다.
전극패턴은 저항요소의 전체 층상 표면영역의 10 내지 99%를 차지할 수도 있다. 전극들이 저항요소의 동일면상에 위치되는 대부분의 경우에 노출표면의 적어도 30% 바람직하게는 적어도 40%, 특히 적어도 50%를 차지하게 되는데, 이는 전체표면의 적어도 15%, 바람직하게는 적어도 20%, 특히 적어도 25%를 차지하는 것으로 된다.
최대 저항치를 제공하기 위하여, 전극은 소정 인가전압에 대해 가능한한 얇은 것이 좋으며, 그 평균두께(t)는 0.0001 내지 0.01인치, 바람직하게는 0.0005 내지 0.005인치이다. 대부분의 경우, 전극의 폭(W)은 0.005 내지 10인치, 바람직하게는 0.005 내지 1인치, 특히 0.010 내지 0.100인치이다. 저항요소상의 어느 위치에서 출력을 변화시키기 위하여는 전극들 사이의 전극폭이나 간격 설정이 변화될 수도 있다.
각각의 전극의 길이(ℓ)는 0.1 내지 1×108인치, 바람직하게는 1 내지 10,000인치, 특히 10 내지 1,000인치로서 전기적 장치의 작용에 좌우된다. 전극의 저항특성을 향상시키기 위해 전극의 길이 대 폭의 비는 적어도 1,000 : 1, 바람직하게는 1,500 : 1, 특히 2,500 : 1이 좋다. 전극폭이 길이 이하로 변화할때, 그 최대폭은 이 비율을 결정하기 위해 사용된다. 이에 따른 전극은 23℃에서 0.1 내지 10,000Ω, 특히 10 내지 1,000Ω의 전극저항(Re)을 각각 갖는다. 대부분의 경우, 전극의 단위 길이당 저항이 적어도 5%, 바람직하게는 적어도 10%, 더욱 바람직하게는 적어도 20%, 특히 적어도 25%만큼 변화하는 범위까지 전극의 폭을 변화시키는 것이 좋다.
본 발명의 전기적 장치는 그의 저항(Rh)이 0.1 내지 10,000Ω 사이, 바람직하게는 1 내지 1,000Ω 사이, 특히 10 내지 1,000Ω 사이에 있도록 설계된다. 이 장치에 있어서, 23℃에서 측정시 저항(Rcp)은 저항(Re) 이하이다. 저항(Re) 대 저항(Rcp)의 비는 1 : 1 내지 1,000 : 1, 바람직하게는 1 : 1 내지 100 : 1이며, 전극저항(Re)는 적어도 저항(Rh)의 50%, 바람직하게는 적어도 저항(Rh)의 60%, 특히 적어도 저항(Rh)의 70%로 이루어진다. 높은 전극저항은 전기적 장치가 통전될때 유입전류를 최소화 시키도록 작용한다.
본 발명의 전기적 장치는 히터 또는 회로보호장치로서 사용될 수도 있다. 장치의 정확한 치수 및 저항특성은 사용목적 및 인가전압에 좌우된다. 하나의 바람직한 응용을 예로 들면, 예컨대 자동차 및 기타 차량의 사이드 미러나 리어뷰미러와 같은 미러나 다른 기판의 가열에 이용된다.
제1도는 히터로서 사용하기에 적합한 전기적 장치(10)으의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 균일한 폭 및 간격을 갖는 한쌍의 전극(3, 4)이 전도성 중합체를 구성하는 저항요소(2)의 표면상에 꾸불꾸불한 패턴을 형성하고 있다. 전극에 대한 전기적 접속은 스페이드 커넥터(5, 6)에 의해 행해진다.
제2도는 전기적 장치의 단면도로서, 전극(3, 4)이 전도성 중합체 저항요소(2)의 대향면들상에 위치된다. 전극의 폭과 간격이 변화된다.
제3도는 미러히터로서 사용하도록 설계된 전기적 장치의 평면도이다. 전극(3, 4)이 전도성 중합체 저항요소상에 꾸불꾸불한 패턴을 형성하고 있으며 전원에 대한 접속은 커넥터(5, 6)에 의해 행해진다.
본 발명은 다음 실시예에 의해 예시될 수 있다.
[실시예]
53.8중량%의 에틸렌 아크릴산 공중합체(Primacor 1320, Dow Chemicals에서 입수)를 43.2중량%의 카본블랙(Statex G, Columbian Chemicals에서 입수)과 3중량%의 탄산칼슘(Omya Bsh, Omya Inc.에서 입수)과 혼합하여 전도성 중합체 소립자를 만들었다. 이 소립자를 입출하여 0.010인치(0.025cm) 두께의 시트를 생산했다. 약 4.5×3.1인치(11.43×7.87cm)되는 저항요소를 전도성 중합체 시트로부터 잘라냈다.
저항잉크(PR3003, Hysol에서 입수)를 사용하여, 0.0007인치(0.0018cm) 전극 침전된 구리로 입혀진 0.001인치(0.0025cm) 폴리에스터(Electroshield C18, Lamart에서 입수)로 이루어지는 기판상에 전극 패턴을 인쇄했다. 대류오븐에서 잉크를 경화한 후에, 패턴을 에칭하고, 폴리에스터 뒷판에 구리를 약간 남겼다. 이 미량의 구리는 두개의 전극을 만들었는데, 각각은 약 0.019인치(0.048cm)폭과 200인치(508cm) 길이를 가졌으며, 제8도에 나타낸 바와 같이 꾸불꾸불한 패턴을 형성했다. 이 전극패턴을 전도성 중합체시트의 한쪽면에 입히고 0.001인치(0.0025cm) 폴리에스터/폴리에틸렌 시트(열밀봉성 폴리에스터 필름, 3M에서 입수)를 다른 면에 입혔다. 스페이드 형태의 커넥터에 의해서 전기적 접속이 히터에 행해졌다.
Claims (10)
- (1) (a) 양의 저항온도계수 특성을 나타내고, (b) 중합체에 분산되는 입자상 전도성 충전제와 유기 중합체로 이루어지며, (c) 용융온도(Tm)를 갖는 전도성 중합체 성분으로 구성되는 층상 저항요소와; (2) 전원에 연결될 수 있고 (a) 1.0×10-6내지 1.0×10-2Ω-cm의 저항율을 가지며, (b) 상기 용융 온도(Tm) 이하에서 제로의 저항온도계수 특성을 나타내는 2개의 전극을 포함하여 구성되고, 상기 전극들은, (ⅰ) 길이 대 폭의 비가 적어도 1,000 : 1이 되도록 0.1 내지 1,000,000인치의 길이와, 0.005 내지 10인치의 폭을 각각 가지며, (ⅱ) 0.0001 내지 0.01인치의 두께를 각각 갖고, (ⅲ) 0.1 내지 10,000Ω의 저항(Re)을 각각 가지며, (ⅳ) 편향한 층상 표면의 저항요소에 각각 부착되고, (ⅴ) 저항요소의 표면 영역의 10 내지 90%를 함께 차지하고 있으며, 상기 저항요소는 저항(Re)보다 적은 저항(Rcp)을 갖고 전원에 연결시 0.1 내지 10,000Ω의 저항을 가지며 상기 전기적 장치는 저항(Rh)을 갖고, 상기 저항(Re, Rcp 및 Rh)은 전체장치가 23℃의 균일한 온도로 있는 상태에서 전극이 전원에 접속시 측정되는 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 2전극들은 저항요소의 동일평면상에 있는 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전극들은 저항요소의 대향면들 상에 있는 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치.
- 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항요소는 용융 압출된 전도성 중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 중합체는 중합체 후막잉크인 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 저항(Re)은 저항(Rh)의 적어도 50%인 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 저항(Re) 대 저항(Rcp)의 비는 적어도 10 : 1인 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전극들은 꾸불꾸불 패턴을 형성하기 위해 연속 구리층을 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어지는 전기적 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전기적 장치는 차량의 미러용 히터이고, 상기 장치는 미러의 후면에 부착되며, 상기 전극들은 (a) 1×10-6내지 1×10-5Ω-m의 저항율을 가진 재료로 구성되고 (b) 적어도 100인치의 길이를 가지며, (c) 길이 대 폭의 비가 적어도 1,500 : 1이고, (d) 0.5 내지 200Ω의 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어진 전기적 장치.
- 제1항에 있어서, 적어도 한 전극의 단위 길이당 저항이 적어도 5%만큼 변화하는 것을 특징으로 하는 전도성 중합체로 이루어진 전기적 장치.
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