[논문 리뷰] Effect of particle contact on the electrical performance of NTC-epoxy composite thermistors

Daniella B. Deutz, Sybrand van der Zwaag외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 18.

Electrical and Thermal Properties of Materials참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 NTC-에폭시 복합체 열저항성 저항체에서 공학적 입자 접촉, 특히 응집된 입자 클러스터를 통한 구조가 전기적 성능을 크게 향상시킴을 보여준다. 50 vol.% NTC 함량에서 β 값은 2069 K, 전기저항율은 3.3×10⁵ Ω·m에 도달하였으며, 이는 무작위 분산 또는 정렬된 복합체보다 4개의 차수만큼 뛰어나다. 주요 메커니즘은 입자 간 거리 감소뿐 아니라, NTC 입자 간 병렬 연결성의 증가에 기인한다.

ABSTRACT

As demand rises for flexible electronics, traditionally prepared sintered ceramic sensors must be transformed into fully new sensor materials that can bend and flex in use and integration. Negative temperature coefficient of resistance (NTC) ceramic thermistors are preferred temperature sensors for their high accuracy and excellent stability, yet their high stiffness and high temperature fabrication process limits their use in flexible electronics. Here, a low stiffness thermistor based on NTC ceramic particles of micron size embedded in an epoxy polymer matrix is reported. The effect of particle-to-particle contact on electrical performance is studied by arranging the NTC particles in the composite films in one of three ways: 1) Low particle contact, 2) Improved particle contact perpendicular to the electrodes and 3) dispersing high particle contact agglomerated clumps throughout the polymer. At 50 vol.\\% of agglomerated NTC particles, the composite films exhibit a $\\beta$-value of 2069 K and a resistivity, $\ ho$, of 3.3$\\cdot 10^5$ $\\Omega$m, 4 orders of magnitude lower than a randomly dispersed composite at identical volume. A quantitative analysis shows that attaining a predominantly parallel connectivity of the NTC particles and polymer is a key parameter in determining the electrical performance of the composite film.

연구 동기 및 목표

• 접착 가능한, 도포 가능한 NTC 열저항성 저항체를 개발하여 플렉서블 전자기기에 사용 가능한, 소결 세라믹스 수준의 성능을 구현하고자 한다.
• 입자 간 접촉 방식이 단순한 부피 분율이나 입자 간 거리보다도 NTC-에폭시 복합체의 전기적 성능을 지배하는가를 조사하고자 한다.
• 다양한 NTC 부피 분율에서 무작위 분산, 전기적 분리 정렬, 응집 클러스터의 세 가지 복합체 구조를 비교하고자 한다.
• 복합체 열저항성 저항체에서 전기저항율과 β 값을 결정짓는 주요 물리적 매개변수를 규명하고자 한다.
• 높은 NTC 부피 분율과 특정한 입자 접촉 구조 중 어느 것이 저항율 저하와 높은 β 값 달성에 더 중요한가를 규명하고자 한다.

제안 방법

• 1–10 µm 크기의 NTC 세라믹스 입자(Mn₂.₄₅Ni₀.₅₅O₄, 응집된 클러스터 최대 250 µm)를 볼 밀링 및 800°C와 950°C에서 소성 처리를 통해 제조하였다.
• 에폭시 매트릭스와 Au 전극을 스퍼터 코팅을 통해 사용하여, 무작위 분산, 전기적 분리 정렬, 응집 클러스터의 세 가지 유형의 복합체 필름을 제작하였다.
• 직류 저항 측정(10 V)과 필름 기하구조(ρ = R_DC · A / t)를 이용해 전기저항율(ρ)을 측정하였으며, β 값은 1 kHz 및 1 V에서 25°C와 85°C에서의 교류 저항 측정을 통해 산정하였다.
• 이미지 분석(1500× 배율, 임계값 설정, 입자 분할)을 통해 가장 가까운 이웃 중심점 간 평균 입자 간격을 계산하였다.
• 응집된 필름에 축방향 압력을 가하여(130°C, 1시간) 입자 간 거리를 변화시키고 전기저항율에 대한 영향을 평가하였다.
• 정량적 분석을 통해 병렬 네트워크 형성과 전기적 성능을 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 간 접촉 구조(무작위, 정렬, 응집)가 NTC-에폭시 복합체 열저항성 저항체의 전기저항율과 β 값에 유의미한 영향을 미치는가?
• RQ2 높은 NTC 부피 분율이냐, 입자 간 접촉 구조가 저항율 저하와 높은 β 값 달성에 더 중요한가?
• RQ3 입자 간 거리가 입자 간 접촉과 독립적으로 전기적 성능을 결정짓는 데 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 축방향 압력은 응집된 복합체 필름에서 전기저항율과 입자 간 거리에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 NTC 입자 간 병렬 연결성과 고분자 매트릭스의 역할이 전체 전기적 성능을 결정짓는 데 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 50 vol.% NTC 함량에서 응집된 복합체 필름은 β 값 2069 K, 전기저항율 3.3×10⁵ Ω·m를 달성하였으며, 이는 동일 부피 분율에서 무작위 분산 복합체보다 4개의 차수만큼 향상된 성능이다.
• 무작위 및 정렬된 복합체는 고부피 분율에서도 고분자 매트릭스에 의해 전기저항율이 지배되며, 최소한의 향상만을 보여, 퍼콜레이션과 연결성이 열악함을 시사한다.
• 응집된 복합체 필름은 클러스터 간 거리가 크더라도 내부 밀도가 높아 평균 입자 간 거리가 현저히 낮아졌으며, 이는 높은 병렬 연결성을 가능하게 하였다.
• 축방향 압력 하에서 전기저항율은 입자 간 거리 감소에 따라 단조적으로 감소하였으며, 0.1 µm 감소당 약 1개의 차수 감소를 보였지만, 이는 응집된 필름에서만 관찰되었다.
• 주요 성능 향상 요인은 입자 간 거리 감소 그 자체가 아니라, 입자 간 접촉을 통한 병렬 도전 경로의 형성으로, 이는 응집된 구조에서 최대화되었다.
• 전기적 분리 정렬은 전기저항율에 거의 영향을 주지 않아, NTC 복합체의 전류 주도 센싱 메커니즘은 정렬보다 실제 입자 간 접촉에 더 민감함을 시사한다.