(57)【要約】  本発明は、プリント可能であり、基板へのプリント後に固体化可能であり、それにより、正温時係数の高分子材料を生成する導電性粒子を含む液体組成物に関する。本発明は、正温度係数の高分子材料自体、ならびに液体組成物をプリントして固体化して、正温度係数の高分子材料を形成する方法にも関する。プリントに使用される方法は、スクリーンプリントまたはインクジェットプリントである。固体化は、重合または溶媒蒸発により行われる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント可能であり、基板へのプリント後に固体化して、正温度係数の熱可塑性高分子材料を生成する導電性粒子を含む液体組成物。
【請求項２】
液体組成物をプリントし、その後、固体化させる方法により取得可能な、導電性粒子を含む正温度係数の熱可塑性高分子材料。
【請求項３】
導電性粒子を含む液体組成物をプリントし、その後、前記組成物を固体化させ、それにより、正温度係数の熱可塑性高分子材料を生成する方法。
【請求項４】
前記プリントはスクリーンプリントまたはインクジェットプリントである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項５】
前記導電性粒子は、前記液体に基づいて１０〜６０重量％の濃度で存在する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項６】
前記固体化は重合または溶媒蒸発により行われる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項７】
前記固体化方法は重合により行われる、請求項６に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項８】
前記液体組成物は、前記液体の４０〜９０重量％のレベルで重合可能な材料を含む、請求項７に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項９】
前記重合可能な材料はアクリレートを含む、請求項７または８に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項１０】
前記液体組成物はＵＶ開始剤を含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項１１】
前記基板は電気的に絶縁性である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項１２】
前記液体および結果として生成されるＰＴＣ材料は、少なくとも２つの導電性電極に接触する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項１３】
前記基板はプリント回路基板である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の組成物、材料、または方法。
【請求項１４】
前記ＰＴＣ材料は、保護すべき構成要素から離れる方向において薄い厚さを有するような形状である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の組成物、材料、または方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正温度係数の高分子材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
正温度係数材料、略してＰＴＣ材料は、温度に伴って電気抵抗が可逆的に増大する材料である。通常、これは、スイッチング温度と呼ばれる特定の温度範囲内での温度増大に伴って急激な抵抗の増大と組み合わせられた低い固有抵抗として表される。
【０００３】
いかなる可動部品も使用せずに抵抗を大幅に変更するこの能力により、ＰＴＣ材料は、サーモスタット制御されるヒータおよび回路保護構成要素に使用されることになった。
【０００４】
ＰＴＣ材料は、その独特な特性に鑑みて、電子回路保護構成要素としてあらゆる種類のさらなる恩恵をもたらす潜在性を有する。例えば、電子機器に電源が投入される際に、例えば、電子サージ保護を提供するリセット可能なヒューズとして挙動する能力には、大きな潜在性がある。
【０００５】
米国特許出願公開第２００６／００４９３８５号明細書には、カーボンブラック粒子が散在するポリエチレン母材を含むＰＴＣ材料が開示されている。
【０００６】
そのような構成は、隣接する粒子により提供される接続により、固有の導電性を提供する。加熱されると、ポリエチレン母材は膨張し、粒子を隔てさせ、ひいては接続が断たれ、電気抵抗が増大する。
【０００７】
ポリエチレンは、約１２５℃で大きな温度膨張を受け、抵抗の所望の急速な増大を短い温度範囲で提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ポリエチレンには、特に電気回路保護に関わる用途において、実用的な問題がある。例えば、ポリエチレンは、材料を必要な場所に直接塗布する都合のよい方法であるプリントによる塗布にあまり適さない。
【０００９】
さらに、ポリエチレンは膨張する際、軟化もし、機械的に安定せず、繰り返し精度の欠如に繋がる恐れがある。さらに、ポリエチレンの単純な分子構造は、達成できるＰＴＣ特性の範囲を制限する。特に、ガラス転移温度を１２５℃よりはるかに高いか、またははるかに低くするように手配することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の態様では、本発明は、プリント可能であり、基板へのプリント後に固体化可能であり、それにより、正温時係数高分子材料を生成する導電性粒子を含む液体組成物に関する。
【００１１】
第２の態様では、本発明は、液体組成物をプリントし、その後、固体化する方法により取得可能な導電性粒子を含む正温度係数の熱可塑性高分子材料に関する。
【００１２】
第３の態様では、本発明は、導電性粒子を含む液体組成物をプリントし、その後、組成物を固定化し、それにより、正温度係数の熱可塑性高分子材料を生成する方法に関する。
【００１３】
本発明により生成されるＰＴＣ材料は、プリント可能であるため、電子回路内により都合よく組み込まれる。さらに、本発明はポリエチレンに頼らないため、より広範囲の材料特性が可能である。
【００１４】
そうして形成されるＰＴＣ材料は、２５℃において、好ましくは、１０Ωｃｍ未満、好ましくは１Ωｃｍ未満、より好ましくは０．１Ωｃｍ未満の抵抗率を有する。
【００１５】
さらに、そうして形成されるＰＴＣ材料は、好ましくは、温度が２５℃から１２５℃に増大した場合、抵抗率を１０００倍に増大させ、好ましくは、１０，０００倍、より好ましくは１００，０００倍に増大させる。
【００１６】
任意の適切なプリント方法を利用し得るが、好ましいプロント方法としてはスクリーンプリントおよびインクジェットプリントが挙げられる。スクリーンプリントが最も好ましい。
【００１７】
好ましい固体化方法としては、重合および溶媒蒸発が挙げられる。重合が好ましい。
広範囲の導電性粒子を含めることができるが、カーボンブラック粒子および金属粒子が好ましい。２０ｎｍ〜１６０ｎｍの範囲の平均粒子サイズを有する粒子が、良好な結果を証明している。
【００１８】
液体に基づく１０〜６０重量％の導電性粒子濃度が良好な結果になることが分かっている。
【００１９】
固体化方法が重合である場合、液体組成物は、好ましくは液体の４０〜９０重量％のレベルで、モノマーおよび／またはオリゴマー等の重合可能な材料を含む。
【００２０】
好ましくは、重合可能な材料はアクリレートを含む。適したアクリレートとしては、ポリエステルアクリレート、ジアクリレート、トリアクリレート、およびそれらの混合物が挙げられる。メタクリル酸メチルが好ましいアクリレートである。ジアクリレートおよびトリアクリレートの混合物が特に好ましい。
【００２１】
好ましいポリエステルアクリレートは、式
【００２２】
【化１】
2011524630.tif 000003
【００２３】
を有し、Ｒは、好ましくは、芳香族、脂肪族、または脂環式のアルコールであり、好ましくはメチルアルコールである。Ｒ１は、好ましくは、芳香族、脂肪族、または脂環式のカルボン酸であり、好ましくはメタクリル酸である。好ましくは、ｎは１０〜３０００である。そのような１つの好ましいポリエステルアクリレートは、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＬｉｍｉｔｅｄからのＵＶＰ６０００である。
【００２４】
好ましいジアクリレートは、式
【００２５】
【化２】
2011524630.tif 000004
【００２６】
を有する材料であるヒドロキシジエチルジアクリレートおよびその混合物であり、ｎは好ましくは１〜１０である。好ましくは、ｎは６である。そのような１つの好ましいジアクリレートは、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＬｉｍｉｔｅｄからのＥｔｅｒｍｅｒ２２１である。
【００２７】
重合は従来の任意の方法により開始し得るが、紫外線（ＵＶ）開始が好ましい。したがって、液体組成物は、好ましくは、ＵＶ開始剤を含む。そのようなＵＶ開始剤は、望ましくは、液体組成物の１．０〜５．０重量％のレベルで存在することになる。好ましい開始剤は、Ｃｉｂａ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓからの１つまたは複数のＩｒｇａｃｕｒｅ  ＵＶ  ｉｎｉｔｉａｔｏｒである。
【００２８】
液体組成物が塗布される基板は、様々な形態をとり得る。好ましくは、基板は電子的に絶縁性である。好ましくは、液体およびその結果生成されるＰＴＣ材料は、少なくとも２つの導電性電極に接触する。
【００２９】
特に好ましい実施形態では、絶縁性基板は、プリント回路基板であり、好ましくは、材料も少なくとも２つの導電性電極、例えば、回路基板のトラックまたはパッドに接触する。したがって、ＰＴＣ素子は、プリント回路基板の部分として作ることができ、厳密に整形されたエリア内で所望のように指定することができる。
【００３０】
例えば、絶縁材料をプリント回路基板上の２つの銅トラックの間に塗布し得る。この次に、ＰＴＣ材料がプリントされて、２つの銅トラックをブリッジすると共に、ＰＴＣ材料が絶縁材料上にプリントされる。
【００３１】
代替の好ましい実施形態では、少なくとも２つの電極に接触したＰＴＣ材料は、ＰＴＣ素子、例えば、表面実装構成要素を形成する。
【００３２】
ＰＴＣ材料には、望ましくは、保護コーティングを被膜し得る。これまで、ＰＴＣ材料は、過度の電流が存在する場合に始動するために使用されてきたが、本発明では、ＰＴＣ材料が過度の加熱から保護する実施形態が可能である。
【００３３】
都合のよい一実施形態では、ＰＴＣ材料は、２つの導電性電力レールを接続するようにプリントされ、保護すべき素子の下に位置決めされる。素子への電力は、ＰＴＣ材料を通過する。素子が過熱すると、ＰＴＣ材料は抵抗を大幅に増大させ、それにより、素子が十分に冷却するまで、その素子への電流を低減させる。
【００３４】
好ましい実施形態では、素子に接触するＰＴＣ材料の厚さは、素子に接触しないＰＴＣ材料の厚さよりも厚い。通常、厚さの変更は漸進的である。素子が加熱されると、素子に接触するＰＴＣ材料も加熱され、それにより、抵抗を増大させ、それ自体の熱を放散させ始める。最初、素子に接触していないＰＴＣ材料は冷たいままであるが、厚さが薄いことにより存在するＰＴＣ材料が少ないため、電流がより集中し、熱いＰＴＣ材料帯が素子から離れて移動し始める。これにより、熱が素子内ではなくむしろＰＴＣ材料自体内に生成されることになり、熱が発生したエリアも素子から離れて移動させる。組み合わせられた効果が素子を冷却し、その間、ＰＴＣ材料は熱いままであり、素子を電流から保護する。
【００３５】
これより、本発明を例として以下の図を参照して説明することにする。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるＰＴＣ材料を含む表面実装構成要素の図である。
【図２】本発明によるＰＴＣ材料を含む別の表面実装構成要素の図である。
【図３】本発明によるＰＴＣ材料を含む別の電子構成要素の図である。
【図４】ＰＴＣ材料がプリントされるべきプリント回路基板の部分の図である。
【図５】ＰＴＣ材料が塗布された、図４に示されるプリント回路基板の図である。
【図６】本発明によるＰＴＣ材料が、過度の加熱から素子を保護するために使用されるプリント回路基板の図である。
【図７】プリントされた本発明によるＰＴＣ材料を介して電力レールに接続された集積回路を含むプリント回路基板の図である。
【図８】電気抵抗（Ω）と電流（Ａ）との関係を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図を参照すると、図１は、絶縁性基板１２および導電性銅のエンドキャップ１４を備える表面実装構成要素１０を示す。ＰＴＣ材料１６は、エンドキャップ１４をブリッジするように上部に沿ってプリントされる。
【００３８】
ＰＴＣ材料を素子の上部にプリントする能力により、異なる電気特性を有するそのような素子の製造が容易になり、それにより、様々な素子を同じ製造ランで製造することが可能になる。
【００３９】
図２は、図１に示される構成要素と同様の表面実装構成要素を示し、ＰＴＣ材料がパターンで塗布されて、より長い長さを提供する。そのような素子は、電流がより小さく、より感度の高い保護構成要素が必要な低電圧回路に対してより有用であり得る。ＰＴＣ材料１６のプリントにより、所望の任意のパターンを生成できることが分かる。
【００４０】
図３は、従来の抵抗が製造される様式と同様に形成されたＰＴＣ材料２２を組み込んだ低電力保護構成要素を示す。ＰＴＣ材料２２の円柱形本体には、螺旋状溝２４が刻まれる。そのような長くコンパクトな螺旋にＰＴＣ材料を形成することの利点は、素子の表面積を低減させ、ひいては素子をトリップ状態に保つために回路が放散する必要がある電力量または熱量を低減することが可能なことである。
【００４１】
図４は、間に絶縁パッド３４を有する導電性銅トラック３２を備えるプリント回路基板３０の部分を示す。絶縁パッド３４は、ＰＴＣ材料が高抵抗状態である場合に得られる高温に耐えることができるように選択される。
【００４２】
図５は、図４に示されるプリント回路基板３０の部分を示す。ＰＴＣ材料３６が、トラック３２および絶縁パッド３４の上面に塗布されている。電流が増大し始めた場合、ＰＴＣ材料により放散される熱は、抵抗を劇的に増大させ、ひいては電流の流れを妨げさせる。図５から分かり得るように、ＰＴＣ材料の厚さは、電流を流している構成要素から離れて移動するにつれて増大する。この構成は、熱を電気構成要素から離れた方向に向けるのに有利であると信じられる。
【００４３】
図６は、ＰＴＣ材料４４が間に接続された導電性電力レール４２を備えるプリント回路基板４０の別の部分を示す。保護すべき素子（図示せず）は、ＰＴＣ材料の上面に位置決めされ、電力を導電性レール４２から得る。素子が加熱すると、ＰＴＣ材料４４も加熱され、抵抗が増大することになる。ここでも、ＰＴＣ材料の厚さを変化させることにより、熱が素子から離れて伝達されることが保証される。
【００４４】
図７は、導電性銅レール５２および集積回路５４を備えるプリント回路基板５０の別の部分を示し、集積回路５４と銅レール５２との間にＰＴＣ材料５６がある。集積回路が過度の熱を生成し始めた場合、これは、集積回路に接触したＰＴＣ材料に伝達されることになる。ＰＴＣ材料５６の温度が十分に高くなった場合、ＰＴＣ材料５６の抵抗は増大し、それ自体が熱を放散し始めることになる。この熱のうちのいくらかは、素子から離れて、ＰＴＣ材料から即座に伝達されることになる。しかし、図７から分かるように、ＰＴＣ材料は、素子から離れるにつれて薄くなり、それにより、電流が素子から離れて集中されるような形状である。これには、素子に近い部分よりも離れた部分でより多くの熱が生成されるという効果がある。したがって、熱く抵抗の高いＰＣＴ材料の帯が、素子から離れて移移ることになる。これには２つの有益な効果があり、第１に、ＰＴＣ材料の抵抗の増大により、集積回路自体ではなくむしろＰＣＴ材料内で熱が生成することになる。第２に、熱が生成されるエリアが素子から離れて移ることになる。効果の組み合わせにより、ＰＴＣ材料が高温に保たれ、それにより、電子素子を自体を被害から保護する間、この素子を冷却することができるはずである。
【実施例】
【００４５】
材料をバンバリミキサ内で一緒に混合することにより、以下の式を組成を有する液体組成物を製造した。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
材料を、２つの銅ホイル電極に接触するように絶縁基板の領域にスクリーンプリントした。次に、液体をＵＶ光に露出させ、時間をかけて硬化させた。その結果生成された材料はＰＴＣ特性を有した。
【００４８】
但し、アクリル酸ポリエステルが、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＬｔｄからのＵＶＰ６００であり、ジアクリレートがＰｏｌｙｍｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＬｔｄからのＥＭ２２１であり、トリアクリレートがＰｏｌｙｍｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＬｔｄからのＥＭ２３１であり、ＵＶ開始剤がＣｉｂａ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ  ＣｈｅｍｉｃａｌｓからのＩｒｇａｃｕｒｅであり、カーボンブラックがＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからの等級３０３０Ｂであった。
【００４９】
材料をバンバリミキサ内で一緒に混合することにより、以下の組成を有する液体組成物を製造した。
【００５０】
【表２】
2011524630.tif 000006
【００５１】
前述同様に、液体を、２つの銅ホイル電極に接触するように絶縁基板の領域にスクリーンプリントした。次に、液体を固体化するまで乾燥させた。その結果生成された固体材料はＰＴＣ特性を有した。
【００５２】
アクリル樹脂は、Ｒｏｈｍ  ａｎｄ  ＨａａｓからのＰａｒａｌｏｉｄ  Ｂ−９９であった。
【００５３】
実施例４を、２つのアルミニウムホイル電極をブリッジするように絶縁基板上に塗布した。電極はそれぞれ、長さ５．０ｃｍであり、互いを５０マイクロメートル離間させた。電流を電極および実施例４の材料に通し、材料の電気抵抗を測定した。その結果を図８に示す。
【００５４】
図８から分かるように、材料は低電流、ひいては低温で高い導電性を有した。高電流では、電気抵抗の急激な上昇が発生した。
【図１】
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【図２】
2011524630.tif 000008
【図３】
2011524630.tif 000009
【図４】
2011524630.tif 000010
【図５】
2011524630.tif 000011
【図６】
2011524630.tif 000012
【図７】
2011524630.tif 000013
【図８】
2011524630.tif 000014
【国際調査報告】
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