KR101472416B1

KR101472416B1 - 3차원 스트레쳐블 전자소자 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101472416B1
Application number: KR1020130124090A
Authority: KR
Inventors: 하정숙; 윤장열; 임예인; 홍수영
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2014-12-12
Also published as: US9782940B2; WO2015056843A1; US20150131239A1

Abstract

본 발명은 3차원 스트레쳐블 전자소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 3차원 스트레쳐블 전자소자는 연결선을 내부에 위치시켜 외부로부터 연결선을 보호할 수 있으며, 액체 금속을 연결선으로 사용하여 스트레칭시 연결선의 부피 변화가 발생하지 않으며, 소자를 기판의 양면에 전이할 수 있어 집적도를 증가시키는 효과를 지니고 있다.

Description

3차원 스트레쳐블 전자소자 및 이의 제조 방법 {Three dimensional stretchable electronic device and manufacturing method comprising the same}

본 발명은 3차원 스트레쳐블 전자소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

현재 전자소자 공정 기술은 입는 컴퓨터(wearable computer)를 목적으로 유연하거나 늘임이 가능한 전자소자를 구현하는 것에 초점이 맞추어져 있다. 특히 늘임이 가능한 스트레처블 전자소자 공정 기술은 미래 반도체 산업이 실리콘 기반의 딱딱한 전자소자에서 일상생활에 적용이 가능한 유연한 전자소자로 기술력이 집중될 것이라는 예측을 등에 업고 크게 발전하고 있다.

따라서 많은 연구를 통하여 스트레처블 전자소자 공정 기술은 크게 발전하여 왔다. 그 중에서도 2차원 형태로 소자와 연결선이 구성된 스트레처블 전자소자가 개발되고 있으며, 연결선에 스트레인이 집중되는 구조가 각광을 받고 있다. 스트레처블 전자소자를 제작하는 방법으로는 스트레인을 흡수하기 쉬운 연결선으로 구성된 전자소자와 구동 소자를 기존의 딱딱한 기판상에서 제작을 한 뒤, 늘임이 가능한 고분자 기반의 필름에 전자소자를 전이하는 방법이 주로 쓰이고 있다. 이렇게 제작된 스트레처블 전자소자의 연결선은 2차원의 늘임에 안전하도록 구불구불한 구조이거나 돌출(pop-up)된 구조로 구성되어 대부분의 스트레인을 연결선이 흡수하고 있다.

그러나 최근에는 공정 기술이 가지고 있는 기술적인 한계가 드러나고 있다. 기존의 연구들은 2차원 형태로 소자와 연결선을 평면상에 집적하여 늘임이 가능한 형태의 기술을 제안하였다. 하지만 이러한 기술은 연결선에 스트레인이 집중되며 매우 얇은 보호층만으로 덮여있는 형태가 많다. 이렇게 제작된 2차원의 스트레처블 전자소자는 외부에서 가해지는 힘에 매우 취약하여 연결선의 단락이 쉬우며 평면에만 집적이 가능하므로 수직 구조의 집적이 힘들어 집적도가 낮다는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-1048356호 대한민국 등록특허 10-1052116호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 연결선에 가해지는 스트레인을 줄이고, 외부로부터 연결선을 보호하는 3차원 스트레쳐블 전자소자를 제조하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기판 상에 소자를 양면으로 전이하여 3차원 스트레쳐블 전자소자의 집적도를 높이는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 (1)상부 및 하부에 하나 이상의 돌출부를 가진 기판을 제조하기 위한 알루미늄 몰드(100)를 준비하는 단계;

(2)철사(110)를 이용하여 기판의 돌출부를 연결시키기 위한 연결선의 통로를 만드는 단계;

(3)기판의 돌출부 형성을 위한 고분자 1(120)을 주입한 후 반경화한 뒤, 나머지 부위에 고분자 2(130)를 주입 후 경화하여 알루미늄 몰드 내부에 철사가 내장된 3차원 스트레쳐블 기판을 제조하는 단계;

(4)상기 알루미늄 몰드로부터 철사 및 3차원 스트레쳐블 기판을 제거하는 단계;

(5)상기 철사가 제거된 연결선 통로에 액체 금속(140)을 주입하여 연결선이 형성된 3차원 스트레쳐블 기판을 제조하는 단계; 및

(6)상기 연결선이 형성된 3차원 스트레쳐블 기판의 돌출된 부위에 소자(150)를 전이한 뒤 연결선과 연결하여 소자간의 연결을 시키는 단계를 포함하는 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 3차원 스트레쳐블 전자소자를 제공한다.

본 발명의 3차원 스트레쳐블 전자소자는 연결선을 기판 내부로 위치시켜 외부로부터 연결선을 보호할 수 있으며, 연결선으로 액체 금속을 사용하여 스트레칭시 연결선의 부피 변화가 없어 외부 변형에도 단락이 발생하지 않아 소자와 소자 사이를 용이하게 연결할 수 있다.

또한, 기판의 양면에 소자를 전이할 수 있어 집적도를 높일 수 있는 효과를 지니고 있다.

도 1은 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 3차원 스트레쳐블 기판의 광학 이미지이다.
도 3은 3차원 스트레쳐블 기판을 측면에서 본 광학 이미지이다.
도 4의 (a)는 얇은 필름의 액체 연결선에 전기 측정을 위한 추가 연결선을 연결한 도면이고, (b)는 3차원 스트레쳐블 기판의 액체 금속 연결선에 전기 측정을 위한 추가 연결선을 연결한 도면이다.
도 5는 실시예 1의 3차원 스트레쳐블 기판 및 얇은 필름의 스트레칭에 따른 연결선의 저항을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

본 발명은 3차원 방향으로 늘임이 가능한 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조 방법에 관한 것으로, 제조 방법은 하기와 같다.

(1)상부 및 하부에 하나 이상의 돌출부를 가진 기판을 제조하기 위한 알루미늄 몰드(100)를 준비하는 단계;

(3)기판의 돌출부 형성을 위한 고분자 1(120)을 알루미늄 몰드 내부의 돌출부에 주입한 후 반경화하여 상부 및 하부 돌출부를 형성한 뒤, 상기 알루미늄 몰드 내부의 돌출부 외의 부분에 고분자 2(130)를 주입 후 경화하여 알루미늄 몰드 내부에 철사가 내장된 3차원 스트레쳐블 기판을 제조하는 단계;

(6)상기 연결선이 형성된 3차원 스트레쳐블 기판의 돌출된 부위에 소자(150)를 전이한 뒤 연결선과 연결하여 소자간의 연결을 시키는 단계를 포함한다.

본 발명에서 사용되는 상기 알루미늄 몰드(100)는 표면을 테프론으로 코팅한 뒤 사용한다. 테프론으로 표면을 코팅하게 되면, 고분자로 형성된 3차원 스트레쳐블 기판을 알루미늄 몰드로부터 제거하는 상기 (4)단계 과정을 용이하게 진행할 수 있기 때문이다.

상기 (2)단계에서는 직경이 200 내지 300μm인 철사를 알루미늄 몰드 내부로 삽입하여 소자간의 연결을 시켜줄 수 있는 연결선 통로를 만들며, 철사를 제거한 뒤 생성된 공간에 액체 금속(140)을 주입하여 연결선을 제조할 수 있다.

상기 (3)단계에서 알루미늄 몰드 내부에 주입되는 고분자 1(120) 및 고분자 2(130)는 PDMS(polydimethylsiloxane), ecoflex, PVA(poly vinyl alcohol) 및 Dragon skin 10 slow로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 알루미늄 몰드의 상부 및 하부 돌출부에 주입되는 고분자 1(120)은 바람직하게는 PDMS이고, 나머지 부위, 즉, 상기 알루미늄 몰드 내부의 돌출부 외의 부분에 주입되는 고분자 2(130)는 PDMS 및 ecoflex의 혼합물이며, 바람직하게는 5:5 내지 2:8의 질량비로 혼합된 혼합물일 수 있다.

또한, 상기 (3)단계에서는 알루미늄 몰드의 상부 및 하부 돌출부에 고분자 1(120)을 주입한 뒤 반경화하여 상부 및 하부 돌출부를 형성한 후, 상기 알루미늄 몰드 내부의 돌출부 외의 부분에 고분자 2(130)를 주입한 뒤 경화하여 철사가 내장된 3차원 스트레쳐블 기판을 제조한다. 고분자 1을 반경화하지 않으면 알루미늄 몰드의 나머지 부위에 고분자 2를 주입할 때 고분자 1이 흘러내릴 수 있어 서로 혼합될 수 있다. 또한, 고분자 2의 주입 후 경화하기 전에 고분자 1 및 2에 생성된 기포를 제거하기 위하여 진공상태에 보관한 뒤 경화를 수행하는 것이 바람직하다. 이 때 고분자를 주입하여도 알루미늄 몰드에 내장된 철사의 변형은 일어나지 않는다.

상기 (4)단계에서는 알루미늄 몰드 내부에 형성된 3차원 스트레쳐블 기판을 알루미늄 몰드로부터 분리하며, 그 후 철사를 제거하고, 상기 (5)단계에서는 제거된 철사로 인해 생성된 연결선 통로에 액체 금속(140)을 주입하여 연결선이 형성된 3차원 스트레쳐블 기판을 제조한다.

본 발명에서는 연결선으로 EGaIn 또는 EGaInSn과 같은 액체 금속을 사용하기 때문에 기판을 늘렸을 때에도 연결선의 부피 변화가 발생하지 않으며, 외부 변형에도 소자와 소자 사이를 연결 시킬 수 있다. 또한, 연결선이 기판 내부에 위치하여 있기 때문에 외부 환경으로부터 연결선을 안전하게 보호할 수 있다.

상기 (6)단계에서는 제조된 3차원 스트레쳐블 기판의 돌출부에 소자(150)를 전이한 후 연결선과 연결하여 최종적으로 3차원 스트레쳐블 전자소자를 제조한다. 이 때 소자는 3차원 스트레쳐블 기판의 양면에 전이할 수 있으므로 본 발명의 3차원 스트레쳐블 전자소자는 기존의 전자소자보다 높은 집적도를 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 3차원 스트레쳐블 전자소자를 제공한다. 상기 3차원 스트레쳐블 전자소자는 외부 변형에도 단락없이 소자와 소자간의 연결을 시킬 수 있으므로 입는 컴퓨터 또는 스트레쳐블 장치 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1. 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조

표면이 테프론으로 코팅된 알루미늄 몰드에 직경이 300μm인 철사를 연결하여 연결선 통로를 만들었다. 상기 철사가 내장된 알루미늄 몰드 내부의 돌출 부에 PDMS를 주입한 뒤 드라이오븐에서 65℃의 온도로 13분 동안 반경화를 진행하였다. 알루미늄 몰드의 나머지 부위에 PDMS와 ecoflex를 2:8의 질량비로 혼합한 혼합물을 주입한 뒤 30분간 진공상태에 보관하여 기포를 제거하고, 드라이오븐에서 65℃의 온도로 1시간 20분 동안 경화시켜 철사가 내장된 3차원 스트레쳐블 기판을 제조하였다.

알루미늄 몰드로부터 경화된 3차원 스트레쳐블 기판을 제거하고, 철사를 제거한 뒤 제거된 철사로 인해 생긴 빈 공간에 액체 금속(EGaIn)을 주입하여 연결선을 제조하였다.

상기 3차원 스트레쳐블 기판의 돌출된 PDMS 부위에 양면으로 소자를 전이한 뒤 연결선과 연결하여 소자와 소자간의 연결을 완성하여 3차원 스트레쳐블 전자소자를 제조하였다.

실험예 1. 스트레칭에 따른 연결선의 저항 비교

본 발명의 실시예 1에서 제조한 3차원 스트레쳐블 기판과 기존에 사용되고 있는 얇은 필름의 스트레칭에 따른 연결선의 저항을 비교하였으며, 결과 그래프를 도 5에 도시하였다.

스트레칭에 따른 저항을 비교하기 위하여 얇은 필름과 3차원 스트레처블 기판에 액체 연결선을 주입하고 전기 측정을 할 수 있는 추가 연결선을 각각 연결을 한 뒤에 스트레칭을 하였다(도 4(a) 및 도4(b)).

실시예 1의 3차원 스트레쳐블 기판은 80%까지 스트레칭 시켰을 때 저항의 변화가 나타나지 않았으며, 낮은 저항값을 유지하였다. 반면 기존의 얇은 필름은 스트레칭을 10% 시켰을 때 저항이 급격하게 증가하는 변화가 나타났으며, 상기 저항값은 30%의 스트레칭까지 유지하다가 40%의 스트레칭에서 저항값이 약 10⁶배 증가하였다.

기존의 얇은 필름은 스트레칭에 따라 연결선의 저항이 크게 증가하는 경향을 보였으나, 본 발명의 3차원 스트레쳐블 기판은 스트레칭을 하여도 저항이 증가하지 않았고, 낮은 저항값을 일정하게 유지하였다. 이는 기존의 얇은 필름은 스트레칭시 액체 연결선 및 전기 측정 부분 모두 영향을 받아 연결이 쉽게 끊어지기 쉬우나, 본 발명의 3차원 스트레처블 기판은 스트레칭시 액체 연결선 부분의 스트레칭이 대부분 일어나고 돌출부는 거의 변형이 없어 전기 측정 부분과 액체 연결선 간의 단락이 발생하지 않았기 때문이다.

100 : 알루미늄 몰드
110 : 철사
120 : 고분자 1
130 : 고분자 2
140 : 액체 금속
150 : 소자

Claims

(1)상부 및 하부에 하나 이상의 돌출부를 가진 기판을 제조하기 위한 알루미늄 몰드(100)를 준비하는 단계;
(2)철사(110)를 이용하여 기판의 돌출부를 연결시키기 위한 연결선의 통로를 만드는 단계;
(3)기판의 돌출부 형성을 위한 고분자 1(120)을 알루미늄 몰드 내부의 돌출부에 주입한 후 반경화하여 상부 및 하부 돌출부를 형성한 뒤, 상기 알루미늄 몰드 내부의 돌출부 외의 부분에 고분자 2(130)를 주입 후 경화하여 알루미늄 몰드 내부에 철사가 내장된 3차원 스트레쳐블 기판을 제조하는 단계;
(4)상기 알루미늄 몰드로부터 철사 및 3차원 스트레쳐블 기판을 제거하는 단계;
(5)상기 철사가 제거된 연결선 통로에 액체 금속(140)을 주입하여 연결선이 형성된 3차원 스트레쳐블 기판을 제조하는 단계; 및
(6)상기 연결선이 형성된 3차원 스트레쳐블 기판의 돌출된 부위에 소자(150)를 전이한 뒤 연결선과 연결하여 소자간의 연결을 시키는 단계를 포함하는 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 몰드는 표면이 테프론으로 코팅된 것을 특징으로 하는 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 철사는 직경이 200 내지 300μm인 것을 특징으로 하는 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 고분자 1 및 고분자 2는 PDMS, ecoflex, PVA 및 Dragon skin 10 slow로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법.
청구항 4에 있어서, 상기 고분자 1(120)은 PDMS이고, 고분자 2(130)는 PDMS 및 ecoflex의 혼합물인 것을 특징으로 하는 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법.
청구항 5에 있어서, 상기 PDMS 및 ecoflex의 혼합물은 5:5 내지 2:8의 질량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 (6)단계에서 3차원 스트레쳐블 기판의 양면에 소자를 전이할 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 스트레쳐블 전자소자의 제조방법.
청구항 1의 방법으로 제조된 3차원 스트레쳐블 전자소자.