DE69826512T2

DE69826512T2 - Elektromagnetische abschirmung

Info

Publication number: DE69826512T2
Application number: DE69826512T
Authority: DE
Inventors: Nobuyuki Kambe; Xiangxin Bi
Original assignee: Neophotonics Corp
Current assignee: Nanogram Corp
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: DE69826512D1; CN1277798A; EP1027819B1; EP1027819A1; US5938979A; KR20010031477A; US6080337A; WO1999023862A1; CN1149586C; JP2001522150A; JP4184598B2; TW388038B

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft Magnetpartikel, die zur elektromagnetischen Störabschirmung verwendet werden, und Verbundmaterialien, die diese Magnetpartikel enthalten. Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zum Erzeugen der Magnetpartikel.
Hintergrund der Erfindung
Mit Fortschritten in der Telekommunikation wie z. B. der Entwicklung von persönlichen mobilen Digitalgeräten (Telefon, Pager usw.) sind neue technische Probleme in Bezug auf die Abschirmung gegen resultierende elektromagnetische Störungen (EMI) entstanden. Es wurde insbesondere gefunden, dass EMI von Elektronik- und Telekommunikationsgeräten erhebliche Fehlfunktionen z.B. bei medizinischen Geräten in Krankenhäusern sowie bei Consumerelektronik verursachen. Außerdem sind gesundheitliche Probleme zu Tage getreten, wenn Einzelpersonen EMI ausgesetzt waren. Aufgrund dieser Probleme wurde es Herstellern von Elektronik- und Telekommunikationsgeräten in den USA (FCC Regulations), in Europa (gemäß Order von 1996) und in Japan (VCCI Guidelines) zur Auflage gemacht, ein bestimmtes Maß an EMI-Abschirmung zu gewährleisten. Elektromagnetische Abschirmung in den Radio- und Mikrowellenfrequenzbereichen ist besonders wünschenswert.
Zusammenfassung der Erfindung
Magnetpartikel im Nanometerbereich sind bei der Herstellung von Materialien zur Abschirmung elektronischer Komponenten vor EMI-Strahlung nützlich. Partikel im Nanometerbereich sind vorzugsweise im Wesentlichen kristallin. Die geringe Größe der Partikel kann zu erhöhter magnetischer Permeabilität führen. Im Allgemeinen werden die Partikel zu einer mit Partikeln beladenen Folie ausgebildet, wobei die Partikel in einem Bindemittel oder als Lage auf einem Material wie z. B. einem Polymer eingebettet sind. Das Abschirmverbundmaterial, das die nanometergroßen Partikel beinhaltet, hat vorzugsweise eine hohe magnetische Permeabilität, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Dielektrizitätskonstante.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Abschirmmaterial für elektronische Geräte, umfassend eine EMI-Abschirmzusammensetzung, wobei die EMI-Abschirmzusammensetzung Magnetpartikel und ein Bindemittel umfasst, wobei die Magnetpartikel im Wesentlichen kristallin sind und einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als etwa 1000 nm haben. Die Partikel können eine solche Durchmesserverteilung haben, dass wenigstens etwa 95% der Partikel einen Durchmesser von mehr als etwa 60% des durchschnittlichen Durchmessers und weniger als etwa 140% des durchschnittlichen Durchmessers haben. Die Partikel können eine Zusammensetzung umfassen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe₃C und Fe₇C₃. Die Magnetpartikel können einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 nm bis etwa 50 nm, vorzugsweise von etwa 5 nm bis etwa 20 nm haben.
In gewählten Ausgestaltungen beinhaltet das Bindemittel einen elektrischen Leiter. Der elektrische Leiter kann ein Metall oder ein elektrisch leitendes organisches Polymer umfassen, wie z. B. dotiertes Polyacetylen, Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen und Polyphenylenvinylen. Die Abschirmzusammensetzung kann zu einer Lage ausgebildet sein. Das Abschirmmaterial kann ferner eine leitende Lage neben der durch die Abschirmzusammensetzung gebildeten Lage aufweisen. Die leitende Lage kann ein elektrisch leitendes organisches Polymer umfassen. Alternativ kann die Abschirmzusammensetzung zu einem Verbundpartikel ausgebildet sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen, umfassend den Schritt des Anordnens von Magnetpartikeln zwischen einer abzuschirmenden elektrischen Komponente und potentiellen elektromagnetischen Störquellen, wobei die Magnetpartikel im Wesentlichen kristallin sind und einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als etwa 1000 nm haben. Die Partikel können einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 nm bis etwa 50 nm haben. Zusätzlich können die Partikel eine solche Durchmesserverteilung haben, dass wenigstens etwa 95% der Partikel einen Durchmesser von mehr als etwa 60% des durchschnittlichen Durchmessers und weniger als etwa 140 des durchschnittlichen Durchmessers haben. Die Partikel können eine Zusammensetzung haben, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe₃C und Fe₇C₃. In einigen Ausgestaltungen werden die Partikel in einem Bindemittel gehalten.
Ein mögliches Verfahren zum Erzeugen von Eisenoxidpartikeln beinhaltet den Schritt des Pyrolisierens eines Molekülstroms, umfassend einen Eisenprecursor, ein Oxidationsmittel und ein Strahlung absorbierendes Gas in einer Reaktionskammer, wobei die Pyrolyse durch von einem Laserstrahl absorbierte Wärme vorangetrieben wird. Der Laserstrahl wird vorzugsweise durch einen CO₂-Laser erzeugt. Das Oxidationsgas kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus O₂, O₃, CO, CO₂ und Gemischen davon. Der Molekülstrom wird vorzugsweise von einer in einer Dimension langgestreckten Düse erzeugt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung und den nachfolgend präsentierten Ansprüchen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnittansicht einer Ausgestaltung einer Laserpyrolysevorrichtung durch die Mitte des Laserstrahlungsweges. Das obere Einsatzbild ist eine Bodenansicht der Einspritzdüse, das untere Einsatzbild eine Draufsicht auf die Sammeldüse.
2 ist eine schematische Perspektivansicht einer Reaktionskammer einer alternativen Ausgestaltung der Laserpyrolysevorrichtung, wobei die Materialien der Kammer transparent dargestellt sind, um das Innere der Vorrichtung zu zeigen.
3 ist eine Schnittansicht der Reaktionskammer von 2 entlang der Linie 3-3.
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Ofens zum Erhitzen von Vanadiumoxidpartikeln, wobei der Schnitt durch die Mitte der Quarzröhre verläuft.
5 ist eine fragmentarische Perspektivansicht eines Abschirmmaterials.
6 ist eine fragmentarische Perspektivansicht eines zweilagigen Abschirmmaterials.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Verbundpartikels mit Magnetpartikeln und einem Bindemittel.
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen In der vorliegenden Erfindung werden sehr kleine Magnetpartikel in die Herstellung von Abschirmmaterial integriert, das gegen elektromagnetische Störungen wirksam ist. Ferner haben die kleinen Partikel im Allgemeinen ein hohes Maß an Kristallinität. Die Magnetpartikel können ferromagnetisch oder ferrimagnetisch sein. Aufgrund ihrer geringen Größe, ihrer Magneteigenschaften und ihrer Kristallinität sind die Partikel für die Herstellung von Abschirmmaterialien gut geeignet. Diese Partikel können in Verbundmaterialien eingebaut werden, die ein Abschirmmaterial mit nützlichen Eigenschaften ergeben.
Abschirmung auf der Basis von Strahlungsabsorption wird gegenüber Abschirmung auf der Basis von Strahlungsreflexion bevorzugt, da reflektierte Strahlung andere elektronische Schaltungen in der Nähe stören kann. Bevorzugte Abschirmmaterialien haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe magnetische Permeabilität und eine hohe Dielektrizitätskonstante. Diese Kombination von Eigenschaften ergibt eine hohe Absorption von EMI-Strahlung. Im Allgemeinen hat ein einzelnes Material nicht alle diese Eigenschaften, daher sind Verbundstoffe verschiedener Formen wertvoll.
Die bevorzugten Magnetpartikel ergeben eine hohe magnetische Permeabilität für ein Verbundmaterial, in dem sie integriert sind. Die Magnetpartikel können zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen, aber im Allgemeinen trägt ein anderes Element des Verbundmaterials oder Abschirmmaterials allgemein wie nachfolgend beschrieben zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Das Verbundmaterial kann allgemein für eine bestimmte Abschirmanwendung geeignet gestaltet werden. Andere Komponenten des Abschirmmaterials wie z. B. das Bindemittel, das die Magnetpartikel hält, können elektrisch leitend sein, um dem Material zusätzliche EMI-Abschirmeigenschaften zu verleihen.
Die geringe Größe und Kristallinität der Partikel, wie nachfolgend beschrieben, führt zu einer relativ hohen magnetischen Permeabilität. Die Magnetpartikel sind vorzugsweise aus bekannten magnetischen Materialien gebildet, wie z. B. aus Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe₃C und Fe₇C₃.
Laserpyrolyse ist ein ausgezeichneter Prozess, um auf effiziente Weise geeignete Magnetpartikel mit einer engen Verteilung der durchschnittlichen Partikeldurchmesser zu erzeugen. Ein Grundmerkmal der Anwendung der Laserpyrolyse, wie nachfolgend erörtert, für die Produktion von geeigneten kleinen Partikeln ist die Erzeugung eines Molekülstroms, der eine Metallprecursorverbindung, einen Strahlungsabsorber und ein Reaktionsmittel enthält, das als Sauerstoff- oder Kohlenstoffquelle dient. Der Molekülstrom wird mit einem intensiven Laserstrahl pyrolisiert.
Die aus der Absorption der Laserstrahlung resultierende intensive Hitze induziert die Reaktion der Metallprecursorverbindung in der gewählten Sauerstoff- oder Kohlenstoffumgebung. Laserpyrolyse führt zur Bildung von Phasen von Metallverbindungen, die sich unter thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen möglicherweise nur schwer bilden. Wenn der Molekülstrom den Laserstrahl verlässt, kühlen die Partikel rasch ab.
A. Partikelproduktion
Es wurde entdeckt, dass Laserpyrolyse ein wertvolles Instrument für die Produktion von nanometergroßen Metalloxid- und Metallcarbidpartikeln von Interesse sind. Darüber hinaus sind die durch Laserpyrolyse erzeugten Partikel ein geeignetes Material zur Weiterverarbeitung, um die Wege zur Produktion von erwünschten Metallverbindungspartikeln zu erweitern. So kann mit Laserpyrolyse alleine oder in Kombination mit zusätzlichen Prozessen eine Reihe verschiedener Metalloxid- und Metallcarbidpartikeln erzeugt werden. In einigen Fällen können vergleichbare Partikel über alternative Produktionswege erzeugt werden.
Die Reaktionsbedingungen bestimmen die Qualitäten der durch Laserpyrolyse erzeugten Partikel. Die Reaktionsbedingungen für Laserpyrolyse können relativ präzise reguliert werden, so dass Partikel mit gewünschten Eigenschaften entstehen. Die geeigneten Reaktionsbedingungen zum Erzeugen eines bestimmten Partikeltyps hängen im Allgemeinen vom Aufbau der jeweiligen Vorrichtung ab. Trotzdem können einige allgemeine Beobachtungen über die Beziehung zwischen Reaktionsbedingungen und den resultierenden Partikeln gemacht werden.
Eine Erhöhung der Laserleistung führt zu erhöhten Reaktionstemperaturen im Reaktionsbereich sowie zu einer schnelleren Abkühlung. Schnelles Abkühlen neigt dazu, die Produktion von hoch energetischen Strukturen zu favorisieren. Ebenso neigt eine Erhöhung des Kammerdrucks auch dazu, die Produktion von höher energetischen Strukturen wie Fe₃C zu favorisieren. Ebenso favorisiert eine Erhöhung der Konzentration des als Sauerstoff- oder Kohlenstoffquelle im Reaktionsmittelstrom dienenden Reaktionsmittels die Produktion von Metalloxiden oder -carbiden mit höheren Mengen an Sauerstoff oder Kohlenstoff relativ zum Metall in der Zusammensetzung der Partikel.
Die Fließgeschwindigkeit des Reaktionsmittelgases und die Geschwindigkeit des Reaktionsmittelgasstroms stehen in Umkehrbeziehung zur Partikelgröße, d. h. eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Reaktionsmittelgases oder der Geschwindigkeit des Reaktionsmittelgasstroms neigt zu einer geringeren durchschnittlichen Partikelgröße. Ebenso hat die Wachstumsdynamik der Partikel einen erheblichen Einfluss auf die Größe der resultierenden Partikel. Mit anderen Worten, unterschiedliche Kristallformen einer Produktverbindung haben die Neigung, Partikel anderer Größen zu bilden als andere Kristallformen unter relativ ähnlichen Bedingungen. Auch die Laserleistung beeinflusst die Partikelgröße, wobei eine höhere Laserleistung die Bildung größerer Partikel für tiefer schmelzende Materialien und die Bildung kleinerer Partikel für höher schmelzende Materialien favorisieren.
Geeignete Metallprecursorverbindungen beinhalten im Allgemeinen Metallverbindungen mit mäßigen Dampfdrücken, d. h. Dampfdrücken, die ausreichen, um gewünschte Mengen an Precursordampf im Reaktionsmittelstrom zu erhalten. Das die Precursorverbindungen aufnehmende Gefäß kann erhitzt werden, um den Dampfdruck der Metallprecursorverbindung bei Bedarf zu erhöhen. Zu bevorzugten Eisenprecursorn gehören z. B. Fe(CO)₅.
Bevorzugte Sauerstoffquellen sind beispielsweise O₂, CO, CO₂, O₃ und Gemische davon. Zu bevorzugten Kohlenstoffquellen gehört z. B. C₂H₄. Die Verbindung von der Sauerstoff- oder Kohlenstoffquelle darf vor dem Eintritt in die Reaktionszone nicht signifikant mit der Metallprecursorverbindung reagieren, da dies im Allgemeinen zur Bildung von großen Partikeln führen würde.
Laserpyrolyse kann mit einer Reihe verschiedener optischer Laserfrequenzen durchgeführt werden. Bevorzugte Laser arbeiten im Infrarotteil des elektromagnetischen Spektrums. CO₂-Laser sind besonders bevorzugte Laserlichtquellen. Infrarotabsorber für den Einschluss im Molekülstrom sind beispielsweise C₂H₄, NH₃, SF₆, SiH₄ und O₃. O₃ kann sowohl als Infrarotabsorber als auch als Sauerstoffquelle dienen. Ebenso kann C₂H₄ sowohl als Infrarotabsorber als auch als Kohlenstoffquelle dienen. Der Strahlungsabsorber, wie z. B. der Infrarotabsorber, absorbiert Energie aus dem Strahlungsstrahl und verteilt die Energie auf die anderen Reaktionsmittel zum Vorantreiben der Pyrolyse.
Die aus dem Strahlungsstrahl absorbierte Energie erhöht vorzugsweise die Temperatur mit einer ungeheuren Geschwindigkeit, einem Vielfachen der Geschwindigkeit, mit der Energie im Allgemeinen sogar durch stark exotherme Reaktionen unter kontrollierten Bedingungen erzeugt würde. Der Prozess läuft zwar im Allgemeinen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen ab, aber die Temperatur kann etwa auf der Basis der Energie in der Absorptionsregion beschrieben werden. Der Laserpyrolyseprozess ist qualitativ anders als der Prozess in einem Brennreaktor, wo eine Energiequelle eine Reaktion einleitet, aber die Reaktion wird durch Energie angetrieben, die bei einer exothermen Reaktion abgegeben wird.
Ein inertes Abschirmgas kann zum Reduzieren der Menge an Reaktionsmittel- und Produktmoleküle verwendet werden, die mit den Reaktionsmittelkammerkomponenten in Kontakt kommen. Geeignete Abschirmgase sind unter anderem z. B. Ar, He und N₂.
Die Produktion von Eisencarbiden durch Laserpyrolyse wurde von Bi et al. in „Nanocrystalline α-Fe, Fe₃C and Fe₇C₃ produced by CO₂ laser pyrolysis", J. Mater. Res. 8: 1666–1674 (1993), beschrieben (hierin durch Bezugnahme eingeschlossen).
Eine geeignete Laserpyrolysevorrichtung beinhaltet im Allgemeinen eine Reaktionskammer, die von der Umgebung isoliert ist. Ein Reaktionsmitteleinlass, der mit einem Reaktionsmittelzufuhrsystem verbunden ist, erzeugt einen Molekülstrom durch die Reaktionskammer. Ein Laserstrahl weg schneidet den Molekülstrom in einer Reaktionszone. Der Molekülstrom fährt hinter der Reaktionszone bis zu einem Auslass fort, wo der Molekülstrom die Reaktionskammer verlässt und in ein Sammelsystem passiert. Im Allgemeinen befindet sich der Laser außerhalb der Reaktionskammer, und der Laserstrahl tritt durch ein geeignetes Fenster in die Reaktionskammer ein.
Gemäß 1 umfasst eine besondere Ausgestaltung 100 einer Pyrolysevorrichtung ein Reaktionsmittelzufuhrsystem 102, eine Reaktionskammer 104, ein Sammelsystem 106 und einen Laser 108. Das Reaktionsmittelzufuhrsystem 102 beinhaltet eine Quelle 120 einer Precursorverbindung. Für flüssige Precursor kann ein Trägergas aus einer Trägergasquelle 122 in die Precursorquelle 120 eingeleitet werden, die flüssigen Precursor enthält, um die Zufuhr des Precursors zu erleichtern. Das Trägergas aus der Quelle 122 ist vorzugsweise entweder ein Infrarotabsorber oder ein Inertgas und wird vorzugsweise sprudelnd durch die flüssige Precursorverbindung geleitet. Die Menge an Precursordampf in der Reaktionszone ist grob proportional zur Fließgeschwindigkeit des Trägergases.
Alternativ kann Trägergas direkt von der Infrarotabsorberquelle 124 oder der Inertgasquelle 126, je nach Bedarf, zugeführt werden. Das den Sauerstoff oder Kohlenstoff enthaltende Reaktionsmittel wird von der Quelle 128 zugeführt, die eine Gasflasche oder ein anderer geeigneter Container sein kann. Die Gase aus der Precursorquelle 120 werden mit Gasen von der Reaktionsmittelquelle 128, der Infrarotabsorberquelle 124 und der Inertgasquelle 126 durch Kombinieren der Gase in einem einzigen Rohrleitungsabschnitt 130 gemischt. Die Gase werden in einem ausreichenden Abstand von der Reaktionskammer 104 kombiniert, so dass die Gase vor ihrem Eintritt in die Reaktionskammer 104 gut gemischt werden. Das kombinierte Gas in der Rohrleitung 130 passiert durch ein Rohr 132 in einem rechteckigen Kanal 134, der einen Teil einer Einspritzdüse zum Leiten von Reaktionsmittel in die Reaktionskammer bildet.
Der Fluss von den Quellen 122, 124, 126 und 128 wird vorzugsweise unabhängig von den Massenflussreglern 136 geregelt. Die Massenflussregler 136 erzeugen vorzugsweise eine geregelte Fließgeschwindigkeit von jeder jeweiligen Quelle. Geeignete Massenflussregler sind z. B. Edwards Mass Flow Controller, Modell 825 Serie, von Edwards High Vacuum International, Wilminton, MA.
Die Inertgasquelle 138 ist mit einem Inertgasrohr 140 verbunden, das in einen ringförmigen Kanal 142 fließt. Ein Massenflussregler 144 reguliert den Fluss von Inertgas in das Inertgasrohr 140. Die Inertgasquelle 126 kann bei Bedarf auch als Inertgasquelle für das Rohr 140 dienen.
Die Reaktionskammer 104 beinhaltet eine Hauptkammer 200. Das Reaktionsmittelzufuhrsystem 102 schließt an der Einspritzdüse 202 an der Hauptkammer 200 an. Das Ende der Einspritzdüse 202 hat eine ringförmige Öffnung 204 für die Passage von Abschirminertgas und einen rechteckigen Schlitz 206 für die Passage von Reaktionsmittelgasen zur Bildung eines Molekülstroms in der Reaktionskammer. Die ringförmige Öffnung 204 hat beispielsweise einen Durchmesser von etwa 1,5 Zoll und eine Breite in radialer Richtung von etwa 1/16 Zoll. Der Fluss von Abschirmgas durch die ringförmige Öffnung 204 hilft, die Ausbreitung der Reaktionsmittelgase und Produktpartikel über die Reaktionskammer 104 zu verhindern.
Röhrenförmige Abschnitte 208, 210 befinden sich auf jeder Seite der Einspritzdüse 202. Die röhrenförmigen Abschnitte 208, 210 haben jeweils ZnSe-Fenster 212, 214. Die Fenster 212, 214 haben einen Durchmesser von etwa 1 Zoll. Die Fenster 212, 214 sind vorzugsweise Planfokussierlinsen mit einer Fokallänge, die dem Abstand zwischen der Mitte der Kammer und der Oberfläche der Linse entspricht, um den Strahl auf einen Punkt unmittelbar unterhalb der Mitte der Düsenöffnung zu fokussieren. Die Fenster 212, 214 haben vorzugsweise eine Antireflexionsbeschichtung. Geeignete ZnSe-Linsen sind von Janos Technology aus Townshend in Vermont erhältlich. Röhrenförmige Abschnitte 208, 210 ermöglichen die Verschiebung der Fenster 212, 214 von der Hauptkammer 200 weg, so dass die Fenster 212, 214 mit geringerer Wahrscheinlichkeit durch Reaktionsmittel oder Produkte kontaminiert werden. Die Fenster 212, 214 werden z. B. um etwa 3 cm vom Rand der Hauptkammer 200 verschoben.
Die Fenster 212, 214 sind mit einer Gummiringdichtung auf den röhrenförmigen Abschnitten 208, 210 abgedichtet, um den Strom von Umgebungsluft in die Reaktionskammer 104 zu verhindern. Röhrenförmige Einlässe 216, 218 ermöglichen den Fluss von Abschirmgas in die röhrenförmigen Abschnitte 208, 210, um die Kontamination der Fenster 212, 214 zu reduzieren. Röhrenförmige Einlässe 216, 218 sind mit der Inertgasquelle 138 oder mit einer separaten Inertgasquelle verbunden. In jedem Fall wird der Strom zu den Einlässen 216, 218 vorzugsweise von einem Massenflussregler 220 geregelt.
Der Laser 108 wird so ausgerichtet, dass er einen Laserstrahl 222 erzeugt, der durch das Fenster 212 eintritt und durch das Fenster 214 austritt. Die Fenster 212, 214 definieren einen Laserlicht weg durch die Hauptkammer 200, der den Reaktionsmittelstrom in der Reaktionszone 224 schneidet. Nach dem Austreten am Fenster 214 trifft der Laserstrahl 222 auf ein Leistungsmessgerät 226 auf, das auch als Beam Dump dient. Ein geeignetes Leistungsmessgerät ist von Coherent Inc., aus Santa Clara in CA erhältlich. Der Laser 108 kann durch eine intensive konventionelle Lichtquelle wie z. B. eine Lichtbogenlampe ersetzt werden. Der Laser 108 ist vorzugsweise ein Infrarotlaser, insbesondere ein CW CO₂-Laser wie z. B. ein Laser mit einer maximalen Ausgangsleistung von 1800 Watt, wie er von PRC Corp. in Landing in NJ erhältlich ist, oder ein Coherent^® Modell 525 (Coherent Inc., Santa Clara, CA) mit einer maximalen Ausgangsleistung von 375 Watt.
Durch den Schlitz 206 in der Einspritzdüse 202 strömende Reaktionsmittel leiten einen Molekülstrom ein.
Der Molekülstrom passiert durch die Reaktionszone 224, wo eine Reaktion unter Beteiligung der Precursorverbindung stattfindet. Das Erhitzen der Gase in der Reaktionszone 224 erfolgt sehr schnell, grob in der Größenordnung von 10⁵°C/sec je nach den spezifischen Bedingungen. Die Reaktion kühlt nach dem Verlassen der Reaktionszone 224 schnell ab, und im Molekülstrom bilden sich Nanopartikel 228. Die Ungleichgewichtsnatur des Prozesses erlaubt die Produktion von Nanopartikeln mit einer äußerst gleichförmigen Größenverteilung und strukturellen Homogenität.
Der Weg des Molekülstroms geht weiter zur Sammeldüse 230. Die Sammeldüse 230 hat einen Abstand von etwa 2 cm von der Einspritzdüse 202. Der geringe Abstand zwischen Einspritzdüse 202 und Sammeldüse 230 hilft, Kontaminationen der Reaktionskammer 104 mit Reaktionsmitteln und Produkten zu reduzieren. Die Sammeldüse 230 hat eine kreisförmige Öffnung 232. Die kreisförmige Öffnung 232 mündet in das Sammelsystem 106.
Der Kammerdruck wird mit einem an der Hauptkammer angebrachten Druckmanometer überwacht. Der Kammerdruck liegt im Allgemeinen im Bereich zwischen etwa 5 Torr und etwa 1000 Torr. Der bevorzugte Kammerdruck für die Produktion der gewünschten Oxide und Carbide liegt im Bereich zwischen etwa 80 Torr und etwa 500 Torr.
Die Reaktionskammer 104 hat zwei zusätzliche röhrenförmige Abschnitte (nicht dargestellt). Einer der zusätzlichen röhrenförmigen Abschnitte steht in die Ebene der Schnittansicht von 1 vor, der zweite zusätzliche röhrenförmige Abschnitt steht außerhalb der Ebene der Schnittansicht in 1 vor. Von oben betrachtet, sind die vier röhrenförmigen Abschnitte grob symmetrisch um die Mitte der Kammer herum verteilt. Diese zusätzlichen röhrenförmigen Abschnitte haben Fenster, um ins Innere der Kammer zu schauen. In dieser Konfiguration der Vorrichtung werden die beiden zusätzlichen röhrenförmigen Abschnitte nicht benutzt, um die Produktion von Nanopartikeln zu erleichtern.
Das Sammelsystem 106 kann einen gekrümmten Kanal 250 beinhalten, der von der Sammeldüse 230 führt. Aufgrund der geringen Größe der Partikel folgen die Produktpartikel dem Strom des Gases um Kurven. Das Sammelsystem 106 beinhaltet einen Filter 252 im Gasstrom zum Sammeln der Produktpartikel. Es kann eine Reihe verschiedener Materialien wie z. B. Teflon, Glasfasern und dergleichen für den Filter verwendet werden, solange das Material inert und die Maschengröße klein genug ist, um die Partikel abzufangen. Bevorzugte Materialien für den Filter sind beispielsweise ein Glasfaserfilter von ACE Glass Inc. aus Vineland, NJ.
Die Pumpe 254 hat die Aufgabe, das Sammelsystem 106 auf einem reduzierten Druck zu halten. Es kann eine Reihe verschiedener Pumpen zum Einsatz kommen. Beispiele für geeignete Pumpen 254 sind eine Busch-Pumpe Modell B0024 von Busch Inc., Virginia Beach, VA, mit einer Pumpkapazität von etwa 25 Kubikfuß pro Minute (cfm), und eine Leybold-Pumpe Modell SV300 von Leybold Vacuum Products, Export, PA, mit einer Pumpkapazität von etwa 195 cfm Es kann wünschenswert sein, das Abgas der Pumpe durch einen Scrubber 256 zu leiten, um eventuelle reaktive Chemikalienreste vor dem Ablassen in die Atmosphäre zu beseitigen. Die gesamte Vorrichtung 100 kann für Ventilationszwecke und aus Sicherheitsüberlegungen unter einer Dampfhaube platziert werden. Im Allgemeinen bleibt der Laser aufgrund seiner Größe außerhalb der Dampfhaube.
Die Vorrichtung wird von einem Computer gesteuert. Der Computer steuert im Allgemeinen den Laser und überwacht den Druck in der Reaktionskammer. Der Computer kann zum Regeln des Stroms von Reaktionsmitteln und/oder des Abschirmgases verwendet werden. Die Pumpgeschwindigkeit wird entweder mit einem manuellen Nadelventil oder einem automatischen Drosselventil geregelt, das zwischen Pumpe 254 und Filter 252 geschaltet ist. Wenn der Kammerdruck aufgrund des Ansammelns von Partikeln auf dem Filter 252 zunimmt, dann kann das manuelle Ventil oder das Drosselventil so eingestellt werden, dass die Pumpgeschwindigkeit und der entsprechende Kammerdruck konstant gehalten werden.
Die Reaktion kann so lange fortgesetzt werden, bis sich so viele Partikel auf dem Filter 252 angesammelt haben, dass die Pumpe den gewünschten Druck in der Reaktionskammer 104 gegen den Widerstand durch den Filter 252 nicht mehr halten kann. Wenn der Druck in der Reaktionskammer 104 nicht mehr auf dem gewünschten Wert gehalten werden kann, dann wird die Reaktion gestoppt und der Filter 252 wird entfernt. In dieser Ausgestaltung können etwa 3–75 Gramm Nanopartikel in einem einzigen Durchlauf gesammelt werden, bevor der Kammerdruck nicht mehr gehalten werden kann. Ein einzelner Durchlauf dauert im Allgemeinen zwischen etwa 10 Minuten und etwa 3 Stunden, je nach dem Typ der erzeugten Partikel und dem jeweiligen Filter. Es ist daher einfach, eine makroskopische Menge an Partikeln zu erzeugen, d. h. eine Menge, die mit dem bloßen Auge sichtbar ist.
Die Reaktionsbedingungen können relativ präzise gesteuert werden. Die Massenflussregler sind recht genau. Der Laser hat im Allgemeinen eine Leistungsstabilität von etwa 0, 5%. Mit manueller Steuerung oder einem Drosselventil kann der Kammerdruck innerhalb von etwa 1% geregelt werden.
Die Konfiguration des Reaktionsmittelzufuhrsystems 102 und des Sammelsystems 106 kann umgekehrt werden. In dieser alternativen Konfiguration werden die Reaktionsmittel vom Boden der Reaktionskammer zugeführt, und die Produktpartikel werden am oberen Ende der Kammer gesammelt.
Diese alternative Konfiguration kann zu einem geringfügig höheren Sammeln von Produkt für Partikel führen, die in den Umgebungsgasen schwimmen. In dieser Konfiguration wird bevorzugt, einen gekrümmten Abschnitt im Sammelsystem zu haben, so dass der Sammelfilter nicht direkt über der Reaktionskammer montiert ist.
Es wurde ein alternativer Aufbau einer Laserpyrolysevorrichtung beschrieben. Es wird auf die gemeinschaftlich zugewiesene U. S.-Patentanmeldung Nr. 08/808,850 mit dem Titel „Efficient Production of Particles by Chemical Reaction" verwiesen (hierin durch Bezugnahme eingeschlossen). Dieser alternative Aufbau soll die Produktion von wirtschaftlichen Partikelmengen durch Laserpyrolyse erleichtern. Es wird eine Reihe verschiedener Konfigurationen zum Einspritzen der Reaktionsmittelstoffe in die Reaktionskammer beschrieben.
Die alternative Vorrichtung beinhaltet eine Reaktionskammer, die so aufgebaut ist, dass sie Kontaminationen der Wände der Kammer mit Partikeln minimal hält, um die Produktionskapazität zu erhöhen und Ressourcen effizient zu nutzen. Um diese Ziele zu erreichen, entspricht die Reaktionskammer allgemein der Form eines länglichen Reaktionsmitteleinlasses, wodurch Totvolumen außerhalb des Molekülstroms verringert werden. Gase können sich im Totvolumen ansammeln, wodurch die Menge an Verluststrahlung durch Streuung oder Absorption durch nicht reagierende Moleküle erhöht wird. Ebenso können sich aufgrund des reduzierten Gasstroms im Totvolumen Partikel im Totvolumen ansammeln, was eine Kammerkontamination verursacht.
Der Aufbau der verbesserten Reaktionskammer 300 ist in den 2 und 3 schematisch dargestellt. Ein Reaktionsmittelgaskanal 302 befindet sich im Block 304. Die Flächen 306 des Blocks 304 bilden einen Abschnitt der Kanäle 308. Ein weiterer Abschnitt der Kanäle 308 verbindet sich am Rand 310 mit einer Innenseite der Hauptkammer 312. Die Kanäle 308 enden an Abschirmgaseinlässen 314. Der Block 304 kann, je nach Reaktion und gewünschten Bedingungen, umpositioniert oder ersetzt werden, um die Beziehung zwischen dem länglichen Reaktionsmitteleinlass 316 und den Abschirmgaseinlässen 314 zu variieren. Die Abschirmgase von Abschirmgaseinlässen 314 bilden Hüllen um den Molekülstrom, der vom Reaktionsmitteleinlass 316 kommt.
Die Abmessungen des länglichen Reaktionsmitteleinlasses 316 sind vorzugsweise auf eine hoch effiziente Partikelproduktion ausgelegt. Sinnvolle Abmessungen für den Reaktionsmitteleinlass zum Produzieren der relevanten Oxid-, Sulfid- und Carbidpartikel bei Verwendung eines CO₂-Lasers von 1800 Watt liegen zwischen etwa 5 mm und etwa 1 Meter.
Die Hauptkammer 312 entspricht allgemein der Form des länglichen Reaktionsmitteleinlasses 316. Die Hauptkammer 312 beinhaltet einen Auslass 318 entlang des Molekülstroms zum Beseitigen von partikelförmigen Produkten, eventuellen unreagierten Gasen und Inertgasen. Röhrenförmige Abschnitte 320, 322 erstrecken sich von der Hauptkammer 312. Röhrenförmige Abschnitte 320, 322 halten die Fenster 324, 326, um einen Laserstrahlweg 328 durch die Reaktionskammer 300 zu definieren. Röhrenförmige Abschnitte 320, 322 können Abschirmgaseinlässe 330, 332 zum Einleiten von Abschirmgas in röhrenförmige Abschnitte 320, 322 beinhalten.
Die verbesserte Vorrichtung beinhaltet ein Sammelsystem zum Beseitigen der Partikel aus dem Molekülstrom Das Sammelsystem kann so ausgelegt werden, dass es eine große Menge an Partikeln sammelt, ohne die Produktion zu beenden, oder, vorzugsweise, um in einem Dauerproduktionsbetrieb zu laufen, indem zwischen verschiedenen Partikelsammlern im Sammelsystem umgeschaltet wird. Das Sammelsystem kann gekrümmte Komponenten innerhalb des Strömungspfads ähnlich dem gekrümmten Abschnitt des in 1 gezeigten Sammelsystems beinhalten. Die Konfiguration der Reaktionsmitteleinspritzkomponenten und des Sammelsystems kann umgekehrt werden, so dass sich die Partikel am oberen Ende der Vorrichtung sammeln.
Wie oben erwähnt, können Eigenschaften der Metallverbindungspartikel durch weitere Verarbeitung modifiziert werden. So können beispielsweise Metalloxid- oder Metallcarbidnanopartikel in einem Ofen in einer Sauerstoffumgebung oder einer Inertumgebung erhitzt werden, um den Sauerstoffgehalt und/oder die Kristallstruktur der Partikel zu ändern. Darüber hinaus kann der Erhitzungsprozess möglicherweise zum Beseitigen von adsorbierten Verbindungen auf den Partikeln verwendet werden, um die Qualität der Partikel zu erhöhen. Es wurde entdeckt, dass die Anwendung von milden Bedingungen, d. h. Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt der Nanopartikel, zu einer Modifikation der Stöchiometrie oder Kristallstruktur von Partikeln führt, ohne dass die Nanopartikel signifikant zu größeren Partikeln gesintert werden. Diese Verarbeitung in einem Ofen ist ausführlicher in der gemeinschaftlich zugewiesenen und gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/897,903 und dem Titel „Processing of Vanadium Oxide Particles With Heat" erörtert, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung 400 zur Durchführung dieser Verarbeitung ist in 4 dargestellt. Die Vorrichtung 400 beinhaltet eine Röhre 402, in der die Partikel platziert werden. Die Röhre 402 ist mit einer Reaktionsmittelgasquelle 404 und einer Inertgasquelle 406 verbunden. Reaktionsmittelgas, Inertgas oder eine Kombination davon zum Erzeugen der gewünschten Atmosphäre werden in der Röhre 402 platziert.
Die gewünschten Gase werden vorzugsweise durch die Röhre 402 geleitet. Zu geeigneten aktiven Gasen zum Erzeugen einer Sauerstoffumgebung (Reaktionsmittelgas) gehören z. B. O₂, O₃, CO, CO₂ und Kombinationen davon. Die Reaktionsmittelgase können mit Inertgasen wie Ar, He und N₂ verdünnt werden. Die Gase in der Röhre 402 können bei Bedarf ausschließlich Inertgase sein.
Die Röhre 402 befindet sich im Ofen 408. Der Ofen 408 hält die relevanten Abschnitte der Röhre auf einer relativ konstanten Temperatur, obwohl die Temperatur bei Bedarf auch systematisch über den Verarbeitungsschritt variiert werden kann. Die Temperatur im Ofen 408 wird im Allgemeinen mit einem Thermoelement 410 gemessen. Die Partikel können sich in der Röhre 402 in einer Phiole 412 befinden. Die Phiole 412 verhütet Partikelverluste aufgrund von Gasfluss. Die Phiole 412 ist im Allgemeinen so ausgerichtet, das ihr offenes Ende auf die Quelle des Gasstroms gerichtet ist.
Die genauen Bedingungen wie ggf. Reaktionsmittelgastyp, Konzentration des Reaktionsmittelgases, Druck oder Fließgeschwindigkeit von Gas, Temperatur und Verarbeitungszeit, können so gewählt werden, dass der gewünschte Produktmaterialtyp entsteht. Die Temperaturen sind im Allgemeinen mild, d. h. liegen weit unter dem Schmelzpunkt des Materials. Durch die Anwendung milder Bedingungen wird ein Sintern von kleinen Partikeln zu größeren Partikeln vermieden. Ein gewisses Maß an kontrolliertem Sintern der Metalloxidpartikel kann im Ofen 408 bei etwas höheren Temperaturen bewirkt werden, um etwas größere durchschnittliche Partikeldurchmesser zu erhalten.
Die Temperaturen liegen vorzugsweise im Bereich von etwa 50°C und etwa 1000°C, stärker bevorzugt zwischen etwa 50°C und etwa 400°C und noch stärker bevorzugt zwischen etwa 50° C und etwa 300° C. Die Partikel werden vorzugsweise etwa 1 Stunde bis etwa 100 Stunden lang erhitzt. Eine gewisse empirische Justage ist möglicherweise erforderlich, um die richtigen Bedingungen zu erzeugen, bei denen sich ein gewünschtes Material ergibt.
B. Partikeleigenschaften
Eine Sammlung von bevorzugten Partikeln hat einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als einem Mikron, vorzugsweise von etwa 5 nm bis etwa 500 nm, stärker bevorzugt von etwa 5 nm bis etwa 100 nm, und noch stärker bevorzugt von etwa 5 nm bis etwa 50 nm Die Partikel haben im Allgemeinen ein grob sphärisches Gesamtaussehen. Bei näherer Untersuchung haben die Partikel im Allgemeinen Flächen, die dem zu Grunde liegenden Kristallgitter entsprechen. Trotzdem neigen die Partikel zu einem etwa gleichen Wachstum in den drei physikalischen Dimensionen, so dass ein sphärisches Gesamtaussehen entsteht. Durchmessermessungen an Partikeln mit Asymmetrien basieren auf einem Durchschnitt von Längenmessungen entlang der Hauptachsen des Partikels. Die Messwerte entlang der Hauptachsen liegen vorzugsweise bei weniger als etwa 1 Mikron für wenigstens etwa 95% der Nanopartikel, stärker bevorzugt für wenigstens etwa 98% der Nanopartikel.
Aufgrund ihrer geringen Größe neigen die Partikel dazu, lose Agglomerate aufgrund von Van der Waals Kräften und magnetischen Interaktionen zwischen nahe gelegenen Partikeln zu bilden. Trotzdem ist die Nanometergröße der Partikel (d. h. der Primärpartikel) in Transmissionselektronenmikrogrammen der Partikel deutlich sichtbar. Für kristalline Partikel entspricht die Partikelgröße im Allgemeinen der Kristallgröße. Die Partikel haben im Allgemeinen einen Oberflächeninhalt, der nanometergroßen Partikeln entspricht, wie in den Mikrogrammen zu sehen ist. Ferner zeigen die Partikel aufgrund ihrer geringen Größe und ihres großen Oberflächeninhalts pro Materialgewichtseinheit einzigartige Eigenschaften.
Die erzeugten Partikel haben vorzugsweise ein hohes Maß an Größengleichförmigkeit. Wie bei einer Untersuchung von Transmissionselektronenmikrogrammen festgestellt wird, haben die Partikel im Allgemeinen eine solche Größenverteilung, dass wenigstens etwa 95% der Partikel einen Durchmesser von mehr als etwa 40% des durchschnittlichen Durchmessers und weniger als etwa 160 des durchschnittlichen Durchmessers haben. Die Partikel haben vorzugsweise eine solche Durchmesserverteilung, dass wenigstens etwa 95% der Partikel einen Durchmesser von mehr als etwa 60% des durchschnittlichen Durchmessers und weniger als etwa 140 des durchschnittlichen Durchmessers haben. Die engen Größenverteilungen können in einer Reihe verschiedener Anwendungszwecke genutzt werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Für einige Anwendungen ist es möglicherweise wünschenswert, mehrere Sammlungen von Partikeln zu mischen, die jeweils eine enge Durchmesserverteilung haben, um eine gewünschte Verteilung von Partikeldurchmessern zu erzeugen.
Darüber hinaus haben die Nanopartikel im Allgemeinen ein sehr hohes Reinheitsniveau. Von mit den obigen Verfahren erzeugten Metalloxid- oder Metallcarbidpartikeln wird erwartet, dass sie eine Reinheit haben, die höher ist als die der Reaktionsgase, weil der Kristallbildungsprozess dazu neigt, Kontaminanten aus dem Gitter auszuschließen. Ferner wurde gefunden, dass mit Laserpyrolyse erzeugte Metallverbindungspartikel ein hohes Maß an Kristallinität aufweisen. Mit stark kristallinen Partikeln ist das Gitterbild in einem Elektronenmikrogramm mit geeigneter Vergrößerung deutlich sichtbar.
Unter den meisten Reaktionsbedingungen haben die Partikel im Allgemeinen eine einzelne kristalline Phase. Die Partikel können eine einzelne kristalline Phase haben, die wenigstens etwa 90 Gew.-% umfasst. Die Partikel haben vorzugsweise eine einzelne kristalline Phasengleichförmigkeit von wenigstens etwa 95 Gew.-%, stärker bevorzugt von wenigstens etwa 99 Gew.-% und noch stärker bevorzugt von wenigstens etwa 99,9 Gew.-%.
Eisen existiert bekanntlich in mehreren verschiedenen Oxidationszuständen. So sind beispielsweise Eisenoxide mit Stöchiometrien von beispielsweise FeO (kubisches Kristall) , Fe₃O₄ (kubisches Kristall, Umkehrspinell-Struktur) und Fe₂O₃ (α-Trigonalkristall, γ-kubisches Kristall, Spinellstruktur) bekannt. Ebenso wurden Eisencarbide mit Stöchiometrien von Fe₃C (Cementit-orthorhombisch), Fe₇C₃ (hexagonal, pseudohexagonal oder orthorhombisch), Fe₅C₂ (Hagg-Carbid – monoklinisch), Fe₂C (Cementit-orthorhombisch), Fe₂₀C₉, Fe₄C und ε-Carbid (Fe_xC, 2 < x < 3, hexagonal) beobachtet. Die bei der Laserpyrolyse angewendeten Bedingungen können geändert werden, um aus diesen verschiedenen Formen der Eisenverbindungen auszuwählen. Die Bedingungen in einer besonderen Vorrichtung für die Auswahlproduktion zwischen Fe₃C und Fe₇C₃ wurden von Bi et al. (supra) beschrieben.
C. Elektromagnetische Abschirmung
Abschirmmaterialien können verwendet werden, um empfindliche elektronische Schaltungen vor EMI zu schützen. Das Abschirmmaterial ist im Allgemeinen beim Abschirmen von Komponenten vor elektromagnetischer Strahlung mit Frequenzen über etwa 1 Kilohertz und vorzugsweise mit Frequenzen über etwa 1 Megahertz effektiv. Wenn das Abschirmmaterial eine ausreichende Stärke hat, dann kann das Abschirmmaterial auch ein Gehäuse für die elektronische Vorrichtung bilden, ansonsten kann das Abschirmmaterial, z. B. als eine Lage, mit einem anderen Material kombiniert werden, um ein Gehäusematerial mit ausreichender mechanischer Festigkeit zu bilden. Alternativ kann das Abschirmmaterial die Elektronik oder einen empfindlichen Teil der Elektronik unabhängig von einem eventuellen sonstigen Strukturgehäuse der Elektronik umgeben.
Das Abschirmmaterial beinhaltet im Allgemeinen eine mit Partikeln beladene Lage 500. Die mit Partikeln beladene Lage 500 beinhaltet Magnetpartikel 502, die in einem Bindemittel 504 eingebettet sind, wie in 5 schematisch dargestellt ist. Alternativ können die Partikel als eine Lage auf einer Oberfläche des Bindemittels platziert werden. Das Bindemittel kann elektrisch leitend oder elektrisch nichtleitend sein.
Die mit Partikeln beladene Folie 500 bildet ein Abschirmmaterial oder eine Komponente eines Abschirmmaterials. Das Abschirmmaterial sollte die Übertragung von elektromagnetischen Störungen wenigstens über einen gewünschten Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums verhindern. Das Abschirmmaterial ist vorzugsweise äußerst absorptionsfähig für elektromagnetische Strahlung im gewählten Teil des Frequenzspektrums.
Bevorzugte Magnetpartikel beinhalten die oben beschriebenen nanometergroßen Partikel im Die Partikel können so gewählt werden, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem gewünschten Frequenzbereich absorbieren, vorzugsweise in einem relativ hohen Frequenzbereich. Ein Partikelgemisch kann verwendet werden, wenn ein breiterer Absorptionsbereich gewünscht wird als der, der mit einer einzigen Partikelcharge erhalten werden kann. Im Allgemeinen kann die Beladung von Partikeln in dem Material so eingestellt werden, dass eine ausreichende Abschirmung für einen bestimmten Verwendungszweck erzielt wird.
Aufgrund der geringen Größe von Partikeln im Nanometerbereich können diese nach der Zerstörung der schwach gebundenen Aggregate in der Folie dicht gepackt werden. Eine dichte Packung kann gute Abschirmeigenschaften ergeben, da sich Strahlung weniger wahrscheinlich zwischen Partikeln fortpflanzt. Dieses Packverhalten kann zur Verwendung von leichteren Abschirmmaterialien führen, um eine ausreichende EMI-Abschirmung zu erzielen. Ferner kann eine Abschirmung mit Nanopartikeln eine bessere Anpassung an Strukturmerkmale eines Gehäuses ergeben, wie z. B. an den Ecken, ohne dass Strahlung austritt. Partikel im Nanometerbereich erlauben die Bildung von glatten Folien von sehr geringer Dicke.
Das Bindemittel 504 kann ein Polymer sein, z.B. ein beliebiges aus einer Reihe verschiedener Polymere, die mit Partikeln gefüllt und zu einer Folie geformt werden können. Geeignete Polymere sind unter anderem Vinyl und Nicht-Vinyl-Polymere. Geeignete Vinylpolymere sind beispielsweise Polyolefine wie Polyethylen und Polypropylen, Fluopolymere wie Polytetrafluoethylen (Teflon^®) und Polyvinylidenfluorid, sowie Kopolymere und Gemische davon. Zu geeigneten Nicht-Vinyl-Polymeren gehören beispielsweise Polyester wie z. B. Polymethylmethacrylat und Polyurethan. Zu nützlichen Polymeren gehören auch elektrisch leitende Polymere wie dotiertes Polyacetylen, Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen und Polyphenylenvinylen. Mehrere leitende Polymere haben auch eine hohe Dielektrizitätskonstante.
Die Polymere können verschiedene Eigenschaftsmodifizierer beinhalten, um Verarbeitung oder Haltbarkeit zu verbessern, wie z. B. Weichmacher und Antioxidationsmittel. Geringe Mengen anderer partikelförmiger Füllmaterialien können bei Bedarf zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften und/oder der elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Darüber hinaus können die Polymerfolien auch leitende Partikel wie Kohlenstofffasern, Carbon Black, Graphit oder Metallpartikel beinhalten.
Alternativ können Weichmetalle wie Indium und Gold als Bindemittel dienen. Die Partikel können in die weichen Metalle eingebettet werden. Wenn die Metalle Schmelzpunkte unterhalb des Schmelzpunktes des Magnetpartikels haben, dann können die magnetischen Partikel mit dem geschmolzenen Metall gemischt und zu einer gewünschten Gestalt geformt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung 550 beinhaltet das Abschirmmaterial zwei Lagen, wie in 6 schematisch dargestellt ist. Eine Abschirmzusammensetzung in der ersten Lage 552 beinhaltet Magnetpartikel 554, die in einer Polymermatrix 556 gehalten werden. Die erste Lage 552 ist der in 5 gezeigten Partikellage 500 ähnlich. Die erste Lage 552 kann bei Bedarf elektrisch leitende Komponenten enthalten. Eine zweite, leitende Lage 558 beinhaltet elektrisch leitende Komponenten. Die zweite Lage 558 kann aus einem leitenden Metall gebildet werden. So kann die zweite Lage 558 beispielsweise eine Metalllage neben der ersten Magnetpartikellage sein. Alternativ kann die zweite Lage 558 eine Polymerfolie sein. Die Polymerfolie in der Lage 558 kann ein leitendes Polymer beinhalten. Ob die Lage 558 ein leitendes Polymer beinhaltet oder nicht, die leitende Lage 558 kann leitende Partikel wie z.B. Kohlenstofffasern, Carbon Black, Metallpartikel und Graphit enthalten.
Die Magnetpartikel können zu größeren Verbundpartikeln geformt werden, um sie zu dem Abschirmmaterial zu formen. Mit Bezug auf 7, der Verbundpartikel 600 beinhaltet ein leitendes Bindemittel 602, das Magnetpartikel 604 enthält. Das leitende Bindemittel 602 kann ein leitendes Polymer oder ein Metall sein. Der Verbundpartikel ist im Allgemeinen immer noch relativ klein, mit Durchmessern in der Größenordnung von einem Millimeter oder weniger. Verbundpartikel 600 können mit einem Bindemittel zum Bilden einer Lage gemischt werden. Diese Lage ist ähnlich der in 5 gezeigten, mit Partikeln beladenen Lage, wobei die Verbundpartikel durch die Magnetpartikel substituiert sind. Alternativ können Verbundpartikel 600 zu einer Flüssigkeit gemischt werden, um eine Lösung zu bilden, die zur Bildung eines Rbschirmmaterials auf eine Oberfläche gesprüht oder geschleudert werden.
Die oben beschriebenen Ausgestaltungen sollen lediglich repräsentativ und nicht einschränkend sein. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung liegen im Rahmen der Ansprüche. Die Fachperson wird verstehen, dass zahlreiche Änderungen an den oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen von einer Fachperson vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt wird.

Claims

Abschirmmaterial für elektronische Geräte, umfassend eine EMI-Abschirmzusammensetzung, wobei die EMI-Abschirmzusammensetzung Magnetpartikel und ein Bindemittel umfasst, wobei die Magnetpartikel im Wesentlichen kristallin sind und einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als etwa 1000 nm und eine solche Durchmesserverteilung haben, dass wenigstens etwa 95 Prozent der Partikel einen Durchmesser von mehr als etwa 40 Prozent des durchschnittlichen Durchmessers und weniger als etwa 160 Prozent des durchschnittlichen Durchmessers haben.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei die Partikel eine solche Durchmesserverteilung haben, dass wenigstens etwa 95 Prozent der Partikel einen Durchmesser von mehr als etwa 60 Prozent des durchschnittlichen Durchmessers und weniger als etwa 140 Prozent des durchschnittlichen Durchmessers haben.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei die Partikel eine Zusammensetzung umfassen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe₃C und Fe₇C₃.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel einen elektrischen Leiter umfasst.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel ein elektrisch leitendes organisches Polymer umfasst.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei das leitende organische Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus dotiertem Polyacetylen, Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen und Polyphenylenvinylen.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel ein Metall umfasst.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei die Abschirmzusammensetzung zu einer Lage ausgebildet ist.
Abschirmmaterial nach Anspruch 8, ferner umfassend eine leitende Lage neben der durch die Abschirmzusammensetzung gebildeten Lage.
Abschirmmaterial nach Anspruch 9, wobei die leitende Lage ein elektrisch leitendes organisches Polymer umfasst.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei die Abschirmzusammensetzung zu einem Verbundpartikel ausgebildet ist.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei die Partikel' einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 nm bis etwa 50 nm haben.
Abschirmmaterial nach Anspruch 1, wobei die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 nm bis etwa 20 nm haben.
Verfahren zum Abschirmen elektromagnetischer Störungen, umfassend den Schritt des Anordnens von Magnetpartikeln zwischen einer abzuschirmenden elektrischen Komponente und potenziellen elektromagnetischen Störquellen, wobei die Magnetpartikel im Wesentlichen kristallin sind und einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als etwa 1000 nm und eine solche Durchmesserverteilung haben, dass wenigstens etwa 95 Prozent der Partikel einen Durchmesser von mehr als etwa 40 Prozent des durchschnittlichen Durchmessers und weniger als etwa 160 Prozent des durchschnittlichen Durchmessers haben, wobei die genannten Magnetpartikel in einem Bindemittel gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 nm bis etwa 50 nm haben.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Partikel eine solche Durchmesserverteilung haben, dass wenigstens etwa 95 Prozent der Partikel einen Durchmesser von mehr als etwa 60 Prozent des durchschnittlichen Durchmessers und weniger als etwa 140 Prozent des durchschnittlichen Durchmessers haben.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Partikel in einem Bindemittel gehalten werden.