TWI501866B

TWI501866B - Conductive polymer broadband microwave absorbing body

Info

Publication number: TWI501866B
Application number: TW102131476A
Authority: TW
Inventors: Hsin Tzu Liu; Kuang Ming Kuo
Original assignee: Nat Inst Chung Shan Science & Technology
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-10-01
Also published as: TW201509646A

Description

導電高分子型寬頻微波吸收體

本發明係屬於一種導電高分子型寬頻微波吸收體，特別是藉由具有複數層以導電高分子薄膜及低介電高分子薄片組成之層狀結構與金屬板，達到衰減特定頻率雷達波之功效。

習知，吸收材料按吸收劑的不同大概可分為磁性材料和介電吸收材料兩類。磁性吸收材料是通過控制添加的磁性材料的性質、重量百分比及厚度來獲得材料高導磁率的特性，藉由對電磁參數進行設計來調節吸收材料的吸收性能，使其能在設計厚度內達到所需的阻抗匹配，從而獲得最佳的吸波效能。介電型吸收材料是將材料設計成表面阻抗接近自由空間阻抗並以多層設計使介電漸變，介電常數沿吸波材料厚度方向逐步增加，這樣有助於電磁波的穿透和吸收而減少表面反射，介電型損耗材料如石墨、乙炔碳黑、碳化矽或碳化矽纖維等，其主要特點是具有較高的電損耗角正切值，依靠介質的電子極化、離子極化、分子極化、界面極化衰減吸收電磁波。介電材料以碳黑使用最為廣泛，因其有比重輕，化學性能穩定性佳及高介電常數等特性。而磁性粉末從50年代至今仍被廣泛應用於吸波材料以鐵氧磁粉末最具代表性，在X-Band頻段磁性粉末較介電性材料有較佳的吸收頻寬及較薄的厚度，但其有重量過重的缺點。

介電材料以碳黑使用最為廣泛，因其有比重輕、化學性能穩定性佳、高介電常數及高損耗項等特性，因其具有高損耗項特性，常造成與自身高介電常數無法匹配，因此添加量不可太高，限制在約25~30%wt，造成厚度太厚為其缺點，綜上所述，提供一種新型吸波材料且具備可減輕習知吸波材料之重量為本發明所欲解決之問題。

按，導電高分子作為導電材料，取代ITO在觸控面板、軟性顯示器、電子紙、發光二極體及太陽能電池等應用，而導電高分子分為複合型(Extrinsic)與本質型(Intrinsic)，其中，複合型導電高分子材料係於樹脂材料中添加金屬或導電碳黑，藉由導電顆粒聚集形成導電網絡來提升高分子材料的導電性；而本質型導電高分子則是一種共軛性導電高分子，其高分子主鏈結構係由交替的單鍵-雙鍵共軛鍵結而成，可經由化學或電化學的方式加以摻雜，形成電洞或電子傳導載子，因而產生介於半導體及金屬導體之間的導電度。

本發明提供一種導電高分子型寬頻微波吸收體，藉由該微波吸收體之複數層狀結構改善微波吸收頻寬及性能，進一步達到提供一種厚度減少及重量減輕之寬頻微波吸收體。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明主要目的在於提供一種導電高分子型寬頻微波吸收體，該吸收體係包含一金屬板及複數層之層狀結構，該層狀結構係包含一低介電高分子薄片及一導電高分子薄膜，該導電高分子薄膜設置於該低介電高分子薄片之一面，該層狀結構係以該低介電高分子薄片之另一面係設置於該金屬板上，其中，該層狀結構係以一導電高分子薄膜及一低介電高分子薄片形成單層之層狀結構，進一步以一該導電高分子薄膜、一該低介電高分子薄片、一該導電高分子薄膜及一該低介電高分子薄片之排序，形成雙層之層狀結構，藉以重複數層，形成複數層之層狀結構，該導電高分子薄膜膜厚係為0.1μ m~5μ m之間，該低介電高分子薄片介電常數在10以下，該薄片之厚度在1mm至5mm之間；其中該導電高分子薄膜係包含聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物，經由調整該導電高分子薄膜表面電阻、該低介電高分子薄片厚度及該層狀結構之層數形成一導電高分子型寬頻微波吸收體，將該吸收體導電高分子薄膜之表面朝向入射雷達波方向，即可達到衰減特定頻率雷達波之功效。

理想的吸收材料的電磁參數應具有以下特徵：在很寬的頻帶內μ =ε，且虛部大。因此要吸收電磁波必需滿足兩個基本條件：(1)電磁波入射到材料表面時，電磁波能最大限度地進入材料內部(匹配特性)。(2)進入材料內部的電磁波能迅速地幾乎全部衰減掉(衰減特性)。

電磁波前進遇到不同介質時，可能行徑有反射、散射、穿透或在介質內共振。一般而言，介質的電磁特性可經由介電常數(ε)及導磁率(μ )加以描述。ε及μ 均為複數，ε =ε' -j *ε" ,μ =μ' -j *μ" 。

金屬表面上如貼覆一層均勻吸收材時，其厚度為d，當電磁波入射至吸收材時，根據電磁波基本的Maxwell’s Equations及邊界條件(Boundary Condition)，電磁波可能在介質內產生共振現象，亦即入射電磁波能量藉由共振轉換為介質內的自旋進動(Precession of Spin)，最後變成熱能消散，宛若入射之電磁波能量被介質吸收。根據電磁理論電場與磁場邊界條件，平面電磁波入射到貼有金屬板之薄片吸收體，可推導電磁波反射係數為其中ε =ε' -j *ε" ,μ =μ' -j *μ" 。因此，反射係數Γ為(f、d、ε' 、ε" 、μ' 、μ" )六個參數的方程式，且0Γ1，在此定義衰減值D，單位為分貝(dB)D =20log|Γ|，對衰減值超過20dB，即|Γ|0.1，上述反射係數之六個參數需適當的匹配。

本發明製備之導電高分子型寬頻微波吸收體，經微波向量網路分析儀以自由空間法量測，所得之10dB反射衰減吸收頻寬較一般介電吸收材或磁性吸收材為寬，顯示其在LCR等效線路模擬上，具有較高的導磁特性，優於一般傳統吸收材料。

本發明之導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該導電高分子薄膜係具有定域極化分子之特性，表面電阻係介於100~800Ω/sq，產生電感及電容效應，可以刮塗法、旋塗法、流塗法或輪塗法等，塗佈於該低介電高分子薄片，進一步可增設一高分子基材於該導電高分子薄膜下，該基材厚度係為10μ m至100μ m，其中高分子基材係為聚酯膜(PET、PBT)、聚醯胺膜(Nylon)、聚乙烯膜(PE)、聚丙烯膜(PP)、聚碳酸酯膜(PC)、壓克力膜(PMMA)或熱塑性聚氨酯膜(TPU)。

本發明之次一目的在於提供一導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該複數層狀結構中之導電高分子係包含聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物，該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物與水混合，形成一分散水溶液，該分散水溶液係包含該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物6~20wt%、助溶劑0.05~0.2wt%、導電增進劑1.0~10wt%、水系黏結劑5~10wt%、界面活性劑0.01~0.1wt%、消泡劑0.1~0.5wt%、交聯劑0.05~0.2wt%及水。

本發明之另一目的在提供導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該複數層狀結構中之低介電高分子薄片係為塑膠發泡材質或橡膠材質，該塑膠發泡材質係選自發泡聚乙烯乙酸乙脂(EVA)薄片、發泡聚乙烯(PE)薄片或發泡聚氨酯(Polyurethane)薄片。該橡膠材質係選自氯丁橡膠(Polychloroprene)薄片、乙丙橡膠(EPDM)薄片、矽橡膠(Silicone)或軟質聚氨酯(Polyurethane)薄片。

其中，該複數層之層狀結構之導電高分子薄膜越接近該金屬板之導電高分子薄膜，其表面電阻越小。該雙層之層狀結構之導電高分子電阻薄膜表面電阻介於100~500Ω/sq；三層之層狀結構之導電高分子電阻薄膜表面電阻介於100~800Ω/sq，呈等比級數方式排列。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其它目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

111‧‧‧導電高分子薄膜

112‧‧‧高分子基材

113‧‧‧低介電高分子薄片

121‧‧‧導電高分子薄膜

122‧‧‧高分子基材

123‧‧‧低介電高分子薄片

130‧‧‧金屬板

211‧‧‧導電高分子薄膜

212‧‧‧高分子基材

213‧‧‧低介電高分子薄片

221‧‧‧導電高分子薄膜

222‧‧‧高分子基材

223‧‧‧低介電高分子薄片

231‧‧‧導電高分子薄膜

232‧‧‧高分子基材

233‧‧‧低介電高分子薄片

240‧‧‧金屬板

第一圖係為本發明雙層導電高分子型寬頻微波吸收體實施例示意圖。

第二圖係為本發明三層導電高分子型寬頻微波吸收體實施例示意圖。

第三圖係為本發明實施例一之電磁波衰減與頻率關係圖。

第四圖係為本發明實施例二之電磁波衰減與頻率關係圖。

以下係藉由特定具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示內容輕易地瞭解本發明之其它優點與功效。

本發明採用聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(Poly(3,4-ethylene-dioxy -thiophene),PEDOT)之導電高分子粉末，與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂(Poly(styrene-sulfonate),PSS)依不同重量百分比與水混合形成分散水溶液，該PEDOT：PSS分散水溶組成物通常包含重量百分比為10~90% PEDOT：PSS分散水溶液、0.05~0.2%助溶劑(例如Dimethylaminoethanol)調整PH值、1.0~10%導電增進劑Conductivity Enhancers(例如乙二醇Ethylene Glycol、二甲基亞碸DMSO、N-甲基呲咯酮NMP、山梨糖醇Sorbitol)、5~10%水系黏結劑(例如聚醯胺酯分散劑Polyurethane Dispersions、聚酯分散劑Polyester Dispersions、聚乙烯醇Polyvinyl Alcohols、聚二氯乙烯分散劑Polyvinylidenchloride Dispersions)、0.01~0.1%界面活性劑、0.1~0.5%消泡劑(例如水可互溶醇及酮Alcohol及Ketones)、以及0.05~0.2%交聯劑/黏著促進劑(Crosslinkers/Adhesion Promoter例如矽烷耦合劑)。

實施例一

取PEDOT：PSS水溶液濃度16wt%，採用刮塗方式，塗佈於已做放電加工處理之南亞HC285 PET膜(厚度50μ m)，經80℃烘烤30分鐘後，乾膜厚度分別為1.4μm；1.12μm；0.65μm，對應面電阻分別為110±15Ω/sq；353±32Ω/sq；482±51Ω/sq等三種，請參閱第一圖，依本實施例雙層導電高分子型寬頻微波吸收體實施例示意圖，第一層之層狀結構係包含導電高分子薄膜111、高分子基材112及低介電高分子薄片113；第二層之層狀結構係包含導電高分子薄膜121、高分子基材122及低介電高分子薄片123；以及金屬板130組成之雙層導電高分子型寬頻微波吸收體，該雙層之層狀結構之該導電高分子薄膜表面電阻及該低介電高分子薄片厚度如表一，並請參閱第三圖本發明實施例一之電磁波衰減與頻率關係圖。

實施例二

取PEDOT：PSS水溶液濃度16wt%，採用刮塗方式，塗佈於已做放電加工處理之南亞HC285 PET膜(厚度50μ m)，經80℃烘烤30分鐘後，乾膜厚度分別為1.4μm；1.12μm；0.65μm；0.29μm，對應面電阻分別為110±15Ω/sq；353±32Ω/sq；482±51Ω/sq；713±66Ω/sq等四種，請參閱第二圖，第一層之層狀結構係包含導電高分子薄膜211、高分子基材212及低介電高分子薄片213；第二層之層狀結構係包含導電高分子薄膜221、高分子基材222及低介電高分子薄片223；第三層之層狀結構係包含導電高分子薄膜231、高分子基材232及低介電高分子薄片233；以及金屬板240組成之三層導電高分子型寬頻微波吸收體，該三層之層狀結構之該導電高分子薄膜表面電阻及該低介電高分子薄片厚度如表二，並請參閱第四圖本發明實施例二之電磁波衰減與頻率關係圖。

比較例一

採用從荷蘭購得之鐵酸鹽之寬頻吸收材料產品，厚度2.2mm，重量7.05kg/m² ，(10dB)頻寬5.4~16GHz，最大吸收峰18dB。將製作完成之膠片以微波向量網路分析儀之自由空間法材質量測系統量測樣本吸收特性，綜整範例二、範例五及本比較例一之微波吸收量測結果如表三。

由上述比較表三我們可以明顯看出，本發明導電高分子型寬頻微波吸收體製成片型吸收材料，其10dB頻寬為8~18GHz，相較於比較例10dB頻寬為5.4~16GHz，大幅提昇微波頻段吸收實用性(含蓋射控雷達主要頻段8~18GHz)，單位面積重量由比較例約7kg/m² 降至1.3~1.5kg/m² 。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims

一種導電高分子型寬頻微波吸收體，該吸收體係包含：一金屬板；複數層之層狀結構，該層狀結構係包含一低介電高分子薄片及一導電高分子薄膜，該導電高分子薄膜設置於該低介電高分子薄片之一面，該層狀結構係以該低介電高分子薄片之另一面係設置於該金屬板上，其中，該層狀結構係以一導電高分子薄膜及一低介電高分子薄片形成單層之層狀結構，進一步以一該導電高分子薄膜、一該低介電高分子薄片、一該導電高分子薄膜及一該低介電高分子薄片之排序，形成雙層之層狀結構，藉以重複數層，形成複數層之層狀結構，該導電高分子薄膜膜厚係為0.1μ m~5μ m之間，該低介電高分子薄片介電常數在10以下，該薄片之厚度在1mm至5mm之間；其中該導電高分子薄膜係包含聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物，經由調整該導電高分子薄膜表面電阻、該低介電高分子薄片厚度及該層狀結構之層數形成一導電高分子型寬頻微波吸收體，將該吸收體導電高分子薄膜之表面朝向入射微波方向，即可達到衰減特定頻率微波之功效。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該低介電高分子薄片與該導電高分子薄膜間係可增設一高分子基材，該基材厚度係為10μ m至100μ m，其中該高分子基材係為聚酯膜(PET、PBT)、聚醯胺膜(Nylon)、聚乙烯膜(PE)、聚丙烯膜(PP)、聚碳酸酯膜(PC)、壓克力膜(PMMA)或熱塑性聚氨酯膜(TPU)。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該導電高分子薄膜之表面電阻係介在100~800Ω/sq。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物與水混合，形成一分散水溶液，該混合物含量為6~20wt%。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物與水混合，形成一分散水溶液，該水溶液係包含用量為0.05~0.2wt%之助溶劑，該助溶劑係為 50wt%雙甲基胺乙醇之水溶液。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物與水混合，形成一分散水溶液，該水溶液係包含用量為1.0~10wt%之導電增進劑，該導電增進劑係選自二甲基亞碸(DMSO)、乙二醇(Ethylene Glycol)、N-甲基呲咯酮(NMP)或山梨糖醇(sorbitol)。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物與水混合，形成一分散水溶液，該水溶液係包含用量為0.01~0.1wt%之界面活性劑，該界面活性劑係選自一陰離子界面活性劑。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物與水混合，形成一分散水溶液，該水溶液係包含用量為0.1~0.5wt%之消泡劑，該消泡劑係選自水性消泡劑。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物與水混合，形成一分散水溶液，該水溶液係包含用量為0.05~0.2wt%之交聯劑，該交聯劑係選自矽氧耦合劑。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該聚(3,4-乙烯二氧噻吩)與聚苯乙烯磺酸鹽樹脂混合物與水混合，形成一分散水溶液，該水溶液係包含用量為5.0~10wt%之水系黏結劑，該水系黏結劑係選自聚乙烯醇、聚醯胺酯分散劑、聚酯分散劑或聚二氯乙烯分散劑。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該低介電高分子薄片係為塑膠發泡材質，選自發泡聚乙烯乙酸乙脂(EVA)薄片、發泡聚乙烯(PE)薄片或發泡聚氨酯(Polyurethane)薄片。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該低介電高分子薄片係為橡膠材質，選自氯丁橡膠(Polychloroprene)薄片、乙丙橡膠(EPDM)薄片、矽橡膠(Silicone)或軟質聚氨酯(Polyurethane)薄片。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該複數層之層狀結構之導電高分子薄膜越接近該金屬板之導電高分子薄膜，其表面電阻越小。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該複數層之層狀結構係為雙層之層狀結構，該雙層之層狀結構之導電高分子電阻薄膜表面電阻介於100~500Ω/sq，其中該雙層之層狀結構之導電高分子薄膜越接近該金屬板之導電高分子薄膜，其表面電阻越小。
如申請專利範圍第1項所述之一種導電高分子型寬頻微波吸收體，其中該複數層之層狀結構係為三層之層狀結構，該三層之層狀結構之導電高分子電阻薄膜表面電阻介於100~800Ω/sq，其中該三層之層狀結構之導電高分子薄膜越接近該金屬板之導電高分子薄膜，其表面電阻越小，且呈等比級數方式排列。