TWI536398B - 正溫度係數材料及使用該材料之電阻元件和led照明裝置 - Google Patents

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Description

正溫度係數材料及使用該材料之電阻元件和LED照明裝置
本發明係關於一種正溫度係數材料及元件，以及應用該正溫度係數材料之電阻元件和LED照明裝置。
由於具有正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性之導電複合材料之電阻具有對溫度變化反應敏銳的特性，可作為電流或溫度感測元件之材料，且目前已被廣泛應用於過電流保護元件或電路元件上。由於PTC導電複合材料在正常溫度下之電阻可維持極低值，使電路或電池得以正常運作。但是，當電路或電池發生過電流(over-current)或過高溫(over-temperature)的現象時，其電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態，即發生觸發(trip)現象，從而降低流過的電流值。
該導電複合材料之導電度視導電填料的種類及含量而定。一般而言，由於碳黑表面呈凹凸狀，與聚烯烴類聚合物的附著性較佳，所以具有較佳的電阻再現性。此外，應用於3C產品之過電流保護元件，相當重視阻值回復性，故散佈於結晶性高分子聚合物材料的導電填料常使用碳黑以得到更加的阻值回復性。然而使用碳黑作為導電填料時，碳黑間的作用力大，因此常使用高密度聚乙烯(High density polyethylene；HDPE)作為高分子聚合物。然而因HDPE的熔點較高，導致材料不易於低溫觸發，因此不適用於一些需要低溫觸發的場合。此外，即使使用可於低溫觸發的高分子聚合物材料，若使用碳黑作為導電填料，其觸發時電阻彈升幅度往往不足，例如僅有原始電阻值的約100倍左右，而仍有相當大的改進空間。
為了達到上述目的，本發明揭示一種正溫度係數材料及電阻元件，其具有低溫觸發的特性，因而可作為LED發光的調光應用。
根據本發明之第一方面，一種正溫度係數材料包含結晶性高分子聚合物及散佈於其中之導電陶瓷填料。結晶性高分子聚合物之熔點小於90oC，且重量百分比介於5%~30%。導電陶瓷填料之體積電阻值小於500mΩ-cm，且重量百分比介於70%~95%。該正溫度係數材料於25oC的體積電阻值約0.01~5Ω-cm，且在溫度25oC至80oC之間的電阻差在103倍至108倍之間。
一實施例中，為了在較低溫就能有觸發(trip)反應，因此結晶性高分子聚合物係選用較低熔點的高分子材料，例如熔點小於90oC，或小於80oC，或特別是30oC~70oC。結晶性高分子聚合物主要包含乙烯、乙烯共聚物或其組合。乙烯共聚物包含酯(ester)、醚(ether)、有機酸(organic acid)、酐(anhydride)、醯亞胺(imide)、酯胺(amide)官能基的至少一種。例如：結晶性高分子聚合物可為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)、低密度聚乙烯(LDPE)或其混合物。另外，結晶性高分子聚合物可另加入熔點較高的高密度聚乙烯，以調整整體的結晶性高分子聚合物的熔點。
低密度聚乙烯可用傳統Ziegler－Natta催化劑或用Metallocene催化劑聚合而成，亦可經由乙烯單體與其它單體（例如：丁烯(butene)、己烯(hexene)、辛烯(octene)、丙烯酸(acrylicacid)或醋酸乙烯酯(vinyl acetate)）共聚合而成。
該導電陶瓷填料則包含碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)、碳化釩(VC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鈮(NbC)、碳化鉭(TaC)、碳化鉬(MoC)、碳化鉿(HfC)、硼化鈦(TiB2)、硼化釩(VB2)、硼化鋯(ZrB2)、硼化鈮(NbB2)、硼化鉬(MoB2)、硼化鉿(HfB2)、氮化鋯(ZrN)、氮化鈦(TiN)或其混合物。該導電陶瓷填料之粒徑大小係介於0.01mm至30mm之間，較佳粒徑大小係介於0.1mm至10mm之間。
一實施例中，根據請求項1之正溫度係數材料，其中該正溫度係數材料之觸發溫度在30oC~55oC之間。
一實施例中，為了增加阻燃效果、抗電弧效果或耐電壓特性，正溫度係數材料可另包含非導電填料，該非導電填料為氧化鎂、氫氧化鎂、氧化鋁、氫氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、碳酸鈣、硫酸鎂、硫酸鋇或其混合物。該非導電填料的重量百分比介於0.5%~5%。非導電填料的粒徑大小主要係介於0.05mm至50mm之間，且其重量比是介於1%至20%之間。
根據本發明之第二方面，揭示一種電阻元件，其包含二導電金屬層及疊設於該二導電金屬層間之正溫度係數材料層。該正溫度係數材料層包含前述正溫度係數材料。
根據本發明之第三方面，揭示一種LED照明裝置，其包含第一LED發光件、第二LED發光件及正溫度係數元件。第二LED發光件與該第一LED發光件串聯連接，且第二LED發光件相較於第一LED發光件有較嚴重的熱光衰。例如：該第一LED發光件為白光LED，而第二LED發光件為紅光LED。正溫度係數元件與該第一LED發光件串聯，且與該第二LED並聯。該正溫度係數元件鄰近該第二LED發光件，以有效感測該第二LED發光件之溫度，且在溫度25oC至80oC之間的電阻差在103倍至108倍之間。
本發明之正溫度係數元件主要使用具有低熔點的高分子聚合物，且使用低體積電阻值的導電陶瓷填料，不僅提供低觸發溫度的特性，且觸發後電阻仍能大幅彈升，而得以提供相關場合的應用。
為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下說明本發明正溫度係數材料之組成成份及製作過程。一實施例中，正溫度係數材料之成份及重量（單位：公克）如表1所示。其中結晶性高分子聚合物包含熔點小於90oC或特別是小於80oC之材料，例如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(ethylene vinyl acetate；EVA)、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(ethylene ethyl acrylate； EEA)、低密度聚乙烯(lowdensity polyethylene；LDPE)或其混合物等。結晶性高分子聚合物選用熔點亦可為85oC，或特別是40oC~80oC或30oC~70oC。另外亦可加入熔點較高的聚合物如高密度聚乙烯(high density polyethylene；HDPE)。本實施例中，導電陶瓷填料選用體積電阻值小於500mΩ-cm之材料，例如碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)或其混合。導電陶瓷填料之平均粒徑大約介於0.1至10mm之間，粒徑縱橫比(aspect ratio)小於100，或較佳地小於20或10。實際應用上，導電陶瓷填料之形狀可呈現出多種不同樣式之顆粒，例如：球體型(spherical)、方體型(cubic)、片狀型(flake)、多角型或柱狀型等。一般而言，因導電陶瓷填料之硬度相當高，製造方法不同於碳黑或金屬粉末，以致於其形狀亦不同於碳黑或一些高結構(high structure)之金屬粉末，導電陶瓷粉末顆粒之形狀是以低結構型(low structure)為主。非導電填料係選用係用96.9 wt%純度之氫氧化鎂（Mg(OH)2）。在比較例中，導電填料係使用碳黑。
【表1】
製作過程如下：將批式混錬機(Hakke-600)進料溫度定在160°C，進料時間為2分鐘，進料程序為按表1所示之重量，加入定量的結晶性高分子聚合物，攪拌數秒鐘，再加入導電陶瓷粉末及非導電填料。混鍊機旋轉之轉速為40rpm。3分鐘之後，將其轉速提高至70rpm，繼續混錬7分鐘後下料，而形成一具有PTC特性之導電複合材料。
將上述導電複合材料以上下對稱方式置入外層為鋼板，中間厚度為0.35mm之模具中，模具上下各置一層鐵弗龍脫模布，先預壓3分鐘，預壓操作壓力50kg/cm2，溫度為180°C。排氣之後進行壓合，壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在100kg/cm2，溫度為180°C，之後再重覆一次壓合動作，壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在150kg/cm2，溫度為180°C，之後形成一PTC材料層11（參圖1）。該PTC材料層11之厚度為0.35mm或0.45mm。
將該PTC材料層11裁切成20×20cm2之正方形，再利用壓合將二金屬箔片12直接物理性接觸於該PTC材料層11之上下表面，其係於該PTC材料層11表面以上下對稱方式依序覆蓋導電金屬層12。該導電金屬層12與PTC材料層11直接物理性接觸。壓合專用緩衝材、鐡弗龍脫模布及鋼板而形成一多層結構。該多層結構再進行壓合，壓合時間為3分鐘，操作壓力為70kg/cm2，溫度為180°C。之後，一實施例中可以模具衝切形成3.4mm × 4.1mm或3.5mm × 6.5mm之晶片狀正溫度係數元件10。一實施例中，導電金屬層12可含瘤狀(nodule)突出之粗糙表面。綜言之，正溫度係數元件10係層疊狀結構，包含二導電金屬層12及以三明治方式疊設於其間的PTC材料層11。
將各實施例及比較例之正溫度係數元件進行R-T測試(即電阻v溫度測試)，元件觸發前後之各溫度25oC、40oC、80oC之電阻值如表1所列。其中在25oC的起始電阻值方面，實施例1至5的起始電阻值都小於1Ω，但比較例的起始電阻值顯然大於實施例。在40oC時，實施例1、2、4和5已超過其觸發溫度，電阻已開始快速增加，實施例3則未達其觸發溫度，故電阻增加不如實施例1、2、4和5明顯。在80oC時，實施例1至5的電阻約有104至108Ω，其電阻有大幅彈升，至於比較例的電阻僅為130Ω，顯然使用碳黑的比較例有電阻彈升不足的問題。另外，比較例的觸發溫度為60oC，並無法完全滿足低溫觸發的需求。
該PTC材料層11中材料之體積電阻值(ρ)可根據下式計算而得：ρ=R×A/L，其中 R 為PTC材料層11之電阻值(Ω)， A 為PTC材料層11之面積(cm2)， L 為PTC材料層11之厚度(cm)。以實施例1而言，將式(1)中之 R 以表1之25oC電阻值(0.08Ω)代入， A 以6.5×3.5mm2(=6.5×3.5×10-2cm2)代入， L 以0.45mm(=0.045cm)代入，即可求得體積電阻值ρ=0.4Ω-cm。
綜言之，本發明之PTC材料的觸發溫度約介於30oC至55oC之間，或特別為40oC、45oC或50oC。PTC材料的體積電阻值則約介於0.01至5Ω-cm，或特別是0.05Ω-cm、0.1Ω-cm、0.5Ω-cm、1Ω-cm、1.5Ω-cm或2Ω-cm。此外，在溫度25oC至80oC之間的電阻差在103倍至108倍之間，其電阻差可為104倍、105倍、106倍、107倍。其中結晶性高分子聚合物的重量百分比介於5%~30%，亦可為10%、15%、20%或25%，而導電陶瓷填料之重量百分比介於70%~95%，可為75%、80%、85%或90%。
實際應用上，該導電陶瓷填料可包含碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉬、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鉬、硼化鉿、氮化鋯、氮化鈦或其混合物。該導電陶瓷填料之粒徑大小係介於0.01mm至30mm之間，較佳粒徑大小係介於0.1mm至10mm之間。
本發明之PTC材料，藉由加入導電陶瓷填料及至少一具低熔點（90oC以下）之結晶性高分子聚合物。經由表1之測試結果可知，本發明之PTC材料確可達到具有低起始電阻值、低溫觸發及觸發後電阻大幅彈升的功能。
因導電陶瓷填料體積電阻值非常低（小於500 mΩ-cm），以致於所混合成的PTC材料可達到低於5Ω-cm的體積電阻值。一般而言，當PTC材料之體積電阻值很低時，常會失去耐電壓之特性。因此本發明為了提升耐電壓性，PTC材料中係添加非導電填料以提升所能承受之電壓。可使用的非導電填料如氧化鎂、氫氧化鎂、氧化鋁、氫氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、碳酸鈣、硫酸鎂、硫酸鋇或其混合物。該非導電填料的重量百分比介於0.5%~5%。非導電填料的粒徑大小主要係介於0.05mm至50mm之間，且其重量比是介於1%至20%之間。此外，非導電填料亦有控制電阻再現性之功能，通常能將電阻再現性比值(trip jump)R1/Ri 控制在小於3。其中Ri 是起始阻值，R1 是觸發一次後回復至室溫一小時後所量測之阻值。
以下將說明本發明之PTC材料於實際上之應用例。一般LED溫度愈高，其亮度愈低，且使用壽命會減少，故一般LED通電時的溫度(p-n介面溫度)會儘量控制於約35oC~85oC之間。現今為增進LED燈具的演色性，常會將紅光LED發光件和白光LED發光件串聯。但由於紅光LED發光件的熱光衰遠大於白光的LED發光件，點亮使用一段時間後，容易產生LED燈具有顏色漂移的情形。本發明之過電流保護材料即可用於解決上述紅光LED發光件熱光衰的問題，詳如下述。
參照圖2，LED照明裝置20包含紅光LED發光件22、白光LED發光件24及如前述採用過電流保護元件(PTC元件)10。白光LED發光件22與紅光LED發光件24串聯連接。PTC元件10則和紅光LED發光件22並聯連接，且PTC元件10放置的位置需靠近紅光LED發光件22，以有效感測LED發光件22的溫度。當LED照明裝置20剛開始通電運作時，PTC元件10仍維持相當低電阻，因此具有分流效果，亦即電流會同時流經紅光LED發光件22及PTC元件10之並聯電路。當紅光LED發光件22逐漸發熱而升溫後，PTC元件10將感測紅光LED發光件22的溫度而增加其溫度，因而增加其電阻。當PTC元件10的電阻升高時，流經PTC元件10之電流將減小，使得流經紅光LED發光件22電流增加，從而改善紅光LED發光件22的熱光衰現象。因此，本發明之過電流保護材料，具有低溫觸發的效果，故可應用於需要低溫觸發的相關場合，例如LED發光元件的演色性補償。
一實施例中，本發明之正溫度係數元件中之二導電金屬層可與另二金屬鎳片（即金屬電極片）藉著錫膏(solder)經廻焊或藉著點焊方式接合成一組裝體(assembly)，通常是成一軸型(axial－leaded)、插件型(radial－leaded)、端子型(terminal)、或表面黏著型(surfacemount)之元件，同樣提供低觸發溫度的應用。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10．．．PTC元件
11．．．PTC材料層
12．．．導電金屬層
20．．．LED照明裝置
22．．．紅光LED發光件
24．．．白光LED發光件
圖1係本發明之正溫度係數元件之示意圖。圖2係本發明之LED照明裝置之示意圖。
10．．．PTC元件
11．．．PTC材料層
12．．．導電金屬層

Claims (7)

  1. 一種電阻元件，包含：二導電金屬層；一正溫度係數材料層，疊設於該二導電金屬層間，包含：一結晶性高分子聚合物，其熔點小於90℃，且重量百分比介於5%~30%，該結晶性高分子聚合物包含乙烯或乙烯共聚物，乙烯共聚物包含至少一種以下官能基：酯、醚、有機酸、酐、醯亞胺和酯胺；以及一導電陶瓷填料，其體積電阻值小於500μΩ-cm，重量百分比介於70%~95%，且散佈於該結晶性高分子聚合物中；其中該正溫度係數材料層於25℃的體積電阻值小於0.01~5Ω-cm，且在溫度25℃至80℃之間的電阻差在103倍至108倍之間。
  2. 根據請求項1之電阻元件，其中該正溫度係數材料層之觸發溫度在30℃~55℃之間。
  3. 根據請求項1之電阻元件，其中結晶性高分子聚合物的熔點為40℃~80℃。
  4. 一種LED照明裝置，包含：第一LED發光件；第二LED發光件，與該第一LED發光件串聯連接，且第二LED發光件相較於第一LED發光件有較嚴重的熱光衰；以及 一正溫度係數元件，與該第一LED發光件串聯，且與該第二LED並聯，該正溫度係數元件鄰近該第二LED發光件，以有效感測該第二LED發光件之溫度，且在溫度25℃至80℃之間的電阻差在103倍至108倍之間。
  5. 根據請求項4之LED照明裝置，其中該第一LED發光件為白光LED，且第二LED發光件為紅光LED。
  6. 根據請求項4之LED照明裝置，其中該正溫度係數元件之觸發溫度在30℃~55℃之間。
  7. 根據請求項4之LED照明裝置，其中該正溫度係數元件包含二導電金屬層及一疊設於該二導電金屬層間之正溫度係數材料層，該正溫度係數材料層包含：一結晶性高分子聚合物，其熔點小於90℃，且重量百分比介於5%~30%，該結晶性高分子聚合物包含乙烯或乙烯共聚物，乙烯共聚物包含至少一種以下官能基：酯、醚、有機酸、酐、醯亞胺和酯胺；以及一導電陶瓷填料，其體積電阻值小於500μΩ-cm，重量百分比介於70%~95%，且散佈於該結晶性高分子聚合物中。
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