KR101985065B1 - 스트레치가능한 도전 회로 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 스트레치가능한 도전 시트는 표면에 소정의 패턴을 갖는 배선 영역에 대응하여 점착층이 형성된 엘라스토머 시트(1)와 소정의 직경 및 길이를 갖는 도전성 섬유재료(2)를 구비하고 있다. 엘라스토머 시트(1)가 신축 또는 굴곡한 때에, 도전성 섬유재료가 서로 전기적 도통을 유지하면서 상대이동하여, 배선영역에 서의 전기적 도통을 유지한다. 이것에 의해서 신축성, 굴곡성, 내구성이 우수하면서도 저비용의 스트레치가능한 도전 회로를 실현할 수 있다.

Description

스트레치가능한 도전 회로 및 그 제조방법{STRETCHABLE ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CIRCUIT AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은 신축성과 굴곡성이 뛰어난 스트레치가능한 도전 회로 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이러한 스트레치가능한 도전 회로는, 예를 들어, 유연성이 요구되는 RFID 기기용의 안테나 및 배선, 스포츠 과학에서의 운동 분석 센서용 배선, 의복형 심박·심전도 모니터, 로봇 가동부의 배선, 컴퓨터에 명령을 전송하기 위한 손가락 센서용 배선, 심지어 로봇을 원격 조작하기 위해 손가락, 팔꿈치 관절, 무릎 관절에 장착되는 굴곡 센서용 배선 등 최근 다양한 분야에서 수요가 높아지고 있다.

특허문헌 1에는 고무에 이온성 액체, 탄소나노튜브를 분산시킴으로써 신축성을 갖는 도전성 고무를 제조하는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 2에는 엘라스토머에 파형 구조를 갖는 동배선을 붙여 신축성 회로 기판을 제조하는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 3에는 에스테르계 우레탄 고무제의 엘라스토머 시트의 아랫면에 우레탄 고무 및 은 분말로 이루어진 배선을 배치하는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 4에는 IC 칩의 안테나에 도전성 섬유로 이루어진 부스터용 안테나를 미접착 상태로 대향 배치하는 것이 기재되어 있다.

WO 2009-102077 A (국제출원 2009-553493) JP 2013-187380 A JP 2011-034822 A JP 2013-206080 A

특허문헌 1에는 신축성 도전체를 형성하기 위해, 탄소나노튜브나 금속 나노 와이어 등을 분산하여 도전성을 시현하는 것이 개시되어 있다. 이들 재료는 고가이지만, 충분한 도전성을 얻기 위해서는 함유량을 매우 높게 할 필요가 있기 때문에, 자연히 최종 제품이 고가의 제품이 되어 버려, 스포츠 과학 및 의료 분야에서의 보급에는 장벽이 있다.

한편, 특허문헌 2에 개시된 바와 같이, 파형 배선 등 금속 패턴 자체의 구조에 의해 신축성을 발현하는 것에 관해서는 프로세스가 복잡하다는 것과 신장률이 그다지 높지 않은 것이 문제였다.

특허문헌 3에 개시된 바와 같이, 우레탄 고무의 내부에 은 분말을 봉입하여신축성 도선을 개별적으로 제조하는 것에서는 고비용이 필요하게 되고, 또한 유연성이 떨어지고, 은 분말 간의 전기적 접촉이 어느 부분에서 끊어지면 도선으로서의 기능이 손상되어 버리는 문제가 있었다.

특허문헌 4에 개시된 바와 같이, 도전성 섬유를 이용하는 경우에는, 도전성 섬유 자체가 고가이고, 더욱이 다양한 형태의 안테나를 형성할 때에, 도전성 섬유 시트를 자를 필요가 있다. 따라서 낭비되는 도전성 섬유 시트가 많고, 또한 비용 상승을 초래하고, 유연한 안테나 형태의 자유도에 제한이 발생해 버린다.

따라서 본 발명의 목적은, 나일론 등 신축성 있는 섬유의 표면에 은을 증착시킨 섬유(fiber) 등의 도전성 섬유재료를 점착성 및 스트레치가능성을 겸비한 기재 표면에 도전성 분말을 흡착시킴으로써, 신축성, 굴곡성, 내구성이 우수하면서도 신장 센서(elongation sensor), 정전용량형 압력 센서로도 사용할 수 있는, 저비용의 스트레치가능한 도전 회로 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 스트레치가능한 도전 회로는 표면에 소정의 패턴을 갖는 배선 영역에 대응하여 점착층이 형성된 엘라스토머 시트와, 소정의 직경 및 길이를 갖는 도전성 섬유재료로서, 상기 점착층에 첩착(貼着)되고, 상기 배선 영역을 따라서 서로 전기적으로 도통하도록 접촉하는 도전성 섬유재료를 구비하고, 상기 엘라스토머 시트가 신축 또는 굴곡한 때에. 상기 도전성 섬유재료가 서로 전기적 도통을 유지하면서 상대 이동하고, 상기 배선 영역에서의 전기적 도통을 유지하도록 하였다.

또한, 본 발명에 따른 스트레치가능한 도전 회로의 제조방법은, 엘라스토머 시트의 표면에 소정의 패턴을 갖는 배선 영역에 대응하는 마스크를 이용하여 점착층을 형성하는 공정과, 상기 점착층에 도전성 섬유재료를 첩착시키는 공정과, 상기 도전성 섬유재료 중에 상기 점착층에 도포할 수 없었던 도전성 섬유재료를 제거하는 공정과, 상기 점착층 경화 후에 상기 마스크를 제거하는 공정으로 구성하였다.

본 발명에 의하면, 표면에 소정의 패턴을 갖는 배선 영역에 대응하는 엘라스토머 시트 점착층에, 소정의 직경 및 길이를 갖는 도전성 섬유재료를 첩착시켜, 엘라스토머 시트가 신축 또는 굴곡한 때에 도전성 섬유재료가 서로 전기적 도통을 유지하면서 상대 이동하고, 배선 영역에서의 전기적 도통을 유지하도록 했기 때문에, 엘라스토머 시트의 유연성을 손상시키지 않고, 신축성, 굴곡성, 내구성이 뛰어나고 더욱이 저비용의 스트레치가능한 도전 회로를 실현하는 것이 가능해진다.

또한 도전성 섬유재료의 섬유 길이 등을 선정하는 것에 의해 신장률에 대한 전기적 도통도, 즉 저항값의 변화 특성을 다양하게 조정할 수 있는 것을 이용하여 신장량 센서로 이용하는 것이 가능해진다.

또한, 엘라스토머 시트를 개재시켜 도전성 섬유재료의 첩부층(貼付層)을 대향시킴으로써, 엘라스토머 시트의 표면에 작용하는 압력, 하중에 응하여 대향 전극 사이의 정전용량을 변화시킴으로써 압력 센서로 이용하는 것도 가능해진다.

도 1은 본 발명의 도전성 섬유재료에서의 초기 상태와 굴곡 시의 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 엘라스토머 시트의 신장과 저항값의 증대의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 브러쉬 롤러법에 의한 도전성 섬유재료의 첩착 (貼着)을 설명하는 도면이다.
도 4는 스프레이법에 의한 도전성 섬유재료의 첩착을 설명하는 도면이다.
도 5는 은 피복 섬유의 길이와 신장 엘라스토머 시트의 신장과 저항의 증가의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예 1의 신장률과 시트 저항의 실측치를 나타내는 도면이다.
도 7은 케이블 형상의 스트레치가능한 도전 회로로 한 실시예 4의 스트레치가능한 도전 회로를 나타낸 도면이다.
도 8은 실시예 4에 따른 케이블 형상의 스트레치가능한 도전 회로의 신장률에 대한 저항값 변화의 측정값을 나타내는 도면이다.
도 9는 신장량 검출 센서로 이용하는 실시예 5의 스트레치가능한 도전 회로를 나타낸 도면이다.
도 10은 실시예 5에서 배선 폭(W)을 변화시켰을 때의 신장률에 대한 저항값 변화의 측정값을 나타내는 도면이다.
도 11은 정전용량형 압력 센서로 이용하는 실시예 6의 스트레치가능한 도전 회로를 나타낸 도면이다.
도 12는 배선 폭(W)을 변화시켰을 때의 압력에 대한 정전용량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예 6에서 교차부에 형성되는 소자의 면적과 정전용량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 수평 방향의 신장에 대한 정전용량 변화의 측정값을 나타내는 도면이다.
도 15는 엘라스토머 시트를 중간층으로 개재시킨 예를 나타내는 도면이다.
도 16은 중간층으로 되는 엘라스토머 시트의 매수와 정전용량의 변화를 나타낸 도면이다.
도 17은 중간층으로 되는 엘라스토머 시트의 매수를 늘린 경우의 압력에 대한 정전용량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 18은 중간층으로 되는 엘라스토머 시트에 개구(開口)를 설치한 변형예를 나타내는 도면이다.
도 19는 개구가 형성된 중간층을 늘린 경우의 압력에 대한 정전용량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 20은 일방의 엘라스토머 시트에 1 개의 도전성 섬유 첩부층, 타방의 엘라스토머 시트에 5 개의 도전성 섬유 첩부층을 형성하고, 5 점에서 교차시켜, 일방을 신장량 검출 센서로 하고, 타방을 압력 센서로 한 실시예 7을 설명하는 도면이다.
도 21은 실시예 7의 측정예를 나타내는 도면이다.
도 22는 이 측정예에 하중을 걸었을 때의 저항과 정전용량의 실측치를 나타내는 도면이다.
도 23은 저항과 정전용량의 측정값과 실제의 신장량, 압력과의 관계를 나타내는 도면이다.

우선, 본 발명의 기본 원리에 대해서 설명한다.

도 1(a)~(c)에 초기 상태와 굴곡 시의 도전성 섬유재료의 상태를 모식적으로 나타낸다.

본 발명에 있어서는 우레탄 엘라스토머 등으로 이루어지는 엘라스토머 시트(1)에 원하는 회로 배선을 따라서 점착층을 형성하고, 이 점착층에 소정의 길이, 직경을 갖는 도전성 섬유재료(2)를 첩부한다.

도전성 섬유재료(2)는 점착층에 도달한 단계에서, 그 선단부와 중간부에서 적어도 일부가 점착층에 묻힌 상태가 된다. 그리고 표면을 롤러로 가볍게 가압하거나 표면을 필름 등으로 피복할 때에 노출하는 부분이 점착층의 표면상에 쓰러져 서로 교차하여 전기적으로 접속된 상태가 된다. 그러면 도 1(a)에 도시한 초기 상태와 같이, 회로 배선의 길이 방향 양단부 전역에 걸쳐 전기적 도통이 확보된다.

또한, 도면 중 검은 동그라미로 표시한 부분은 도전성 섬유재료(2)의 접속점이고, 화살표는 좌상방의 도전성 섬유재료(2)를 기점으로 한 전류의 흐름을 나타낸다.

그리고 엘라스토머 시트(1)가 신축 또는 굴곡한 때, 도 1(b)에 도시한 상태 1과 같이, 개개의 도전성 섬유재료(2)는 점착층 표면에서 다른 도전성 섬유재료(2)와의 교차를 유지하면서, 상대적으로 이동하여, 엘라스토머 시트(1)의 유연성에 영향을 주지 않고, 전기적인 도통을 확실하게 유지할 수 있다.

다만 엘라스토머 시트(1)에 과도한 신장이 발생하면, 도 1(c)에 도시한 상태 2와 같이 일부 도전성 섬유재료(2) 사이에서는, 전기적 접속이 끊어지고, 또한 서로 전기적으로 접속하는 도전성 섬유재료(2)의 길이가 증가하기 때문에, 저항이 증가하게 된다.

엘라스토머 시트의 신장과 저항값의 증대의 관계를 도 2에 나타낸다. 아래쪽의 직선이 엘라스토머 시트의 신장량에 관계없이 각각의 도전성 섬유재료의 전기적 접속이 전부 유지되는 이상적인 상태를 나타내며, 기본적으로는 신장에 수반하여 도전성 섬유재료의 양단간 거리에 비례하여 저항값이 증가한다. 한편, 엘라스토머 시트의 신장량이 어느 정도의 값이 되면, 도전성 섬유재료 사이의 이탈이 발생하고, 신장에 응해서 이탈량이 급격히 증가하고, 상태 1에서 상태 2로 천이하여, 이에 따라 저항값이 급격하게 증대해 간다.

여기서, 도전성 섬유재료의 재질, 길이, 직경, 그리고 점착층에서의 배열과 도 2에 도시된 바와 같은 저항 증가 특성과의 관계에 대해 고찰한다.

(1) 도전성 섬유재료의 재질

상술한 바와 같이, 도전성 섬유재료는 점착층 표면상에서의, 다른 도전성 섬유재료와의 교차를 유지하면서, 각각 상대적으로 이동하는 것이기 때문에, 엘라스토머 시트가 크게 신축하거나, 굴곡한 때에도 도전성 섬유재료 사이의 전기적 접속을 유지하기 위해, 유연성이 높은 재질이 바람직하다.

그래서 큰 굴곡이 예상되는 경우에는, 예를 들어, 나일론 섬유의 표면에 은을 피복한 은피 피복 섬유 등을 바람직한 예로 들 수 있다.

더욱이 폴리피롤계 도전성 고분자를 섬유 표면에 중합시켜 기재 섬유와 일체화한 섬유 소재도, 표면의 도전성 고분자층이 0.01~0.05 ㎛로 얇고, 섬유 소재의 특성을 손상시키지 않는 도전성 섬유재료로서 바람직하다.

한편, 신축이나 굴곡이 그다지 크지 않은 부분에 엘라스토머 시트를 장착하는 경우에는, 예를 들어, 구리, 알루미늄 세선을 소정의 길이로 절단한 금속 단섬유를 도전성 섬유재료로 채용할 수 있다.

(2) 도전성 섬유재료의 길이

도전성 섬유재료가 길수록 인접하는 도전성 섬유재료와의 교차점으로부터의 거리를 길게 확보할 수 있기 때문에, 엘라스토머 시트의 신장량이 증가해도, 인접하는 도전성 섬유재료 사이의 전기적 접속이 끊어지기 어렵고, 저항값의 증대를 저감할 수 있게 된다.

다만 도전성 섬유재료가 너무 길면, 점착층에 접촉하지 않는 부분이 증가하고, 도전성 섬유재료가 점착층으로부터 이탈하기 쉬워져 버리기 때문에, 엘라스토머 시트의 굴곡률 등을 고려하여 최적의 길이를 선택한다.

(3) 도전성 섬유 소재의 직경

도전성 섬유재료의 직경을 크게 하면, 한 개당의 전기 저항을 작게 할 수 있지만, 강성이 증대하고 인접하는 다른 도전성 섬유재료와의 전기적 접촉이 원활하게 이루어지지 않는다.

또한 후술하는 바와 같이, 도전성 섬유재료로서 나일론 등의 섬유에 은 등의 도전성이 양호한 금속을 피복한 것을 사용하는 경우에는, 전기 저항이 도전성 섬유 재료의 표면적으로 결정되기 때문에, 첩착된 도전성 섬유재료의 총량에 대해 반드시 소기의 전기 저항을 얻을 수 없다. 이 때문에 사용하는 도전성 섬유재료의 특성과 엘라스토머 시트의 굴곡에 수반하는 전기 저항의 변화율 등도 고려하여 최적의 직경을 선택한다.

(4) 점착층에서의 도전성 섬유재료의 배열

점착층에 도전성 섬유재료를 첩부할 때에는, 브러쉬 롤러법이나 스프레이법을 채용할 수 있다.

브러쉬 롤러 법은, 도 3에 도시한 바와 같이, 표면에 점착층을 갖는 엘라스토머 시트(1)에 회로 배선(3)에 대응하는 마스크(4)를 배치하고, 접착제를 도포하여 점착층을 형성한 후, 회전 브러쉬(5)에 의해 도전성 섬유재료(2)를 이 점착층에 매립하는 것이다. 따라서 도전성 섬유재료(2)에 어느 정도의 배향성을 부여할 수 있다. 엘라스토머 시트(1)가 길이 방향으로 크게 신축한 경우에도 도전성 섬유재료(2)끼리의 전기적인 접촉을 유지하는 것이 가능해진다.

그러나 엘라스토머 시트(1)의 폭 방향의 신축에 대해서는, 점착층의 표면에서, 폭 방향으로 교차하는 도전성 섬유재료(2)가 부족하기 때문에 도전 저항의 악화를 초래할 경우가 있다.

또한 경화형 점착층이 전면에 형성된 엘라스토머 시트(1)에 박리성이 높은 소재로 이루어진 마스크(4)를 배치하고, 회전 브러시(5)에 의해 도전성 섬유재료(2)를 이 점착층에 매립한 후, 마스크(4)를 점착층으로부터 박리하도록 해도 좋다.

한편, 스프레이법은, 도 4에 도시한 바와 같이, 회로배선(3)에 대응하는 마스크(4)의 상방으로부터, 도전성 섬유재료(2)를 점착층에, 스프레이(6)로 고압으로 흡착시키는 것이기 때문에, 랜덤한 배열을 얻을 수 있다.

어느 경우에서도, 도전성 섬유재료(2)가 점착층에 첩착할 수 있는 포화상태를 넘을 때까지, 점착층에 공급하여, 더 첩착시키고, 여분의 도전성 섬유재료(2)를 압축 공기 등을 이용해서 제거함으로써, 회로 배선을 형성한다.

여기서, 도전성 섬유재료로 나일론에 은 피복을 실시한 은 피복 섬유 (직경; 17.6 ㎛)을 이용하여, 샘플 크기 48 ㎜×2 ㎜의 엘라스토머 시트에 본 발명의 도전 회로 배선을 형성한 경우, 은 피복 섬유의 길이와 신장에 수반하는 저항값 변화의 실측값을 도 5에 나타낸다.

또한 봉지가 있는 것은, 점착층에 첩부한 은 피복 섬유에 대하여, 비슷한 엘라스토머 시트나 엘리스토머 시트와 동등 이상의 유연성을 갖는 박막 필름 등으로 구성되는 피복층에 의해 봉지하고, 접착층에 첩부한 은 피복 섬유의 표면을 압입한 태양을 나타내고 있다.

최대 신장량에서, 저항값 증가분이 적은 것부터 순서대로, [은 피복 섬유 3.0 ㎜이고 봉지 있음], [은 피복 섬유 0.5 ㎜이고 봉지가 있음], [3.0 ㎜이고 봉지 없음], [은 피복 섬유 0.5 ㎜와 3.0 ㎜가 혼재하고 봉지 없음], [은 피복 섬유 0.5 ㎜이고 봉지 없음]을 각각 나타내고 있다.

이 측정 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 도전성 섬유재료로서 직경 17.6 ㎛, 길이 3 ㎜의 은 피복 섬유를 이용하여, 상면을 봉지한 경우, 최대신장량 30 ㎜에 대해서도 거의 저항값은 증가하지 않는다. 이것은 최대 신장량이 발생한 경우에도 은 피복 섬유가 점착층 상면에서 충분한 길이를 가지며, 게다가 엘라스토머 시트 및 박막 필름에 의해 상면을 누르고 있기 때문에, 은 피복 섬유 사이의 전기적 접속이 대부분 유지되고 있는 것을 보여주고 있다.

한편, 직경 17.6 ㎛, 길이 0.6 ㎜의 짧은 은 피복 섬유를 이용한 경우에서도 엘라스토머 시트 및 박막 필름에 의해 상면을 누르면, 신장량 25 ㎜까지라면, 저항값의 증가를 최소한으로 억제할 수 있다.

엘라스토머 시트 및 박막 필름을 이용하여 상면을 피복하면, 비용 상승과 유연성의 악화를 초래하지만, 사용 중, 어느 정도의 신장이 발생하는지 등 용도에 따라 은 피복 섬유의 길이, 배합, 상면피복층의 유무를 선택하면 된다.

한편, 예를 들어, [은 피복 섬유 0.5 ㎜이고 봉지 없음]의 경우, 신장에 대한 저항증가분이 크고, [은 피복 섬유 3.0 ㎜이고 봉지 있음]의 경우를 제외하면, 신장에 대해서 1 대 1의 관계로 저항 증가분이 커지고 있는 것을 알 수 있다.

이 특성을 이용하여 본 발명의 도전성 섬유재료(2)를 이용한 스트레치가능한 도전성 시트를 이용함으로써 저항값의 변화에 기초하여 신장을 측정할 수 있게 된다.

더욱이, 스트레치가능한 도전성 시트를 겹치는 것에 의해, 도전성 섬유재료 사이에 위치하는 엘라스토머 시트를 커패시터로서 기능시켜, 스트레치가능한 도전성 시트의 표면 압력에 응하여 도전성 섬유재료 사이의 갭 변화에 수반하는 정전용량을 측정함으로써 압력 센서로 이용하는 것도 가능해진다.

실시예

이하, 구체적인 실시예를 도면을 이용하여 설명한다.

[실시예 1]

소정의 유연성을 갖는 엘라스토머 시트(예 : 사이즈 : 3 cm×8 cm, 두께 : 1 ㎜의 우레탄 엘라스토머 시트)의 전면(全面)에 점착층을 도포하고, 이 점착층에 어느 정도의 점도가 발현된 상태에서, 브러쉬 롤러법에 의해서 도전성 섬유재료로서, 길이 : 0.5 ㎜ ~ 3 ㎜, 직경 : 17.6 ㎛의 은 도금 나일론 섬유를 첩착시켰다. 이 스트레치가능한 도전성 시트의 시트 저항을 저항 측정기로 측정하였다. 실측 결과를 도 6에 나타낸다. 250%의 신장률까지의 시트 저항의 변화는 적고, 양호한 특성을 보였다.

[실시예 2]

엘라스토머 점착 시트 (크기 : 3 cm×8 cm, 두께 : 1 ㎜)의 점착층에 브러시 롤러 스프레이법에 의해 은 도금 나일론 섬유 (섬유 길이 : 0.3 ㎜ ~ 3 ㎜, 섬유 직경 : 17.6 ㎛)를 흡착시켰다. 이 도전 시트를 LED 점등 회로 배선 중에 접속하고, 신장률 약100%일 때의 LED의 휘도를 육안으로 관찰하였다. 신장률 0%일 때와 비교하여 휘도의 변화는 관측되지 않았다.

[실시예 3]

엘라스토머 점착 시트 (크기 : 3 cm×9 cm, 두께 : 1 ㎜)의 점착층에 PET를 절단한 마스크를 제작하여, 브러쉬 롤러법에 의해 은 도금 나일론 섬유 (섬유 길이 : 0.3 ㎜~3 ㎜, 섬유 직경 : 17.6 ㎛)를 흡착시키고, UHF-RFID용의 안테나 패턴을 형성하였다.

이 안테나 패턴에 EPC 글로벌 gen2 준거의 RFID용 IC 칩을 실장하여 스트레치가능한 RFID 태그를 제작하였다. 이 스트레치가능한 RFID 태그를 의복에 첩부하고 RFID 독취장치 (덴소 웨이브 제 BHT-604QUWB 출력 10 mW)로 독취 시험을 행하였다. 약 3 cm의 통신 거리에서 ID의 독취가 가능하며, 신장률이 약100 %가 된 때에도 약 2.5 cm의 통신 거리를 유지할 수 있었다.

또한, 실시예 1~3에서는, 은 도금 나일론 섬유를 스프레이법에 의해 접착시킨 경우에도 실험 결과에 큰 차이는 생기지 않았다.

[실시예 4]

도 7에 도시한 바와 같이, 소정의 유연성을 갖고, 편면에 점착층이 도포된 엘라스토머 시트 (예 : 크기 : 20 cm×10 cm, 두께 : 40 ㎛의 우레탄 엘라스토머 시트)의 한 쪽의 면에 점착층에 어느 정도 점도가 발현된 상태에서 브러쉬 롤러법에 의해 길이 : 0.5 ㎜ ~ 3 ㎜, 직경 : 17.6 ㎛의 은 도금 나일론 섬유를 폭 5 cm로 엘라스토머 시트의 길이 방향으로 15 cm 첩착시켰다.

이 실시예에서는 은 도금 나일론 섬유를 첩착한 층의 폭 (이하 "배선 폭(W)」이라고 한다.)에 대하여, 엘라스토머 시트의 폭을 크게 하고, 접착 후 이 엘라스토머 시트를 감아서, 단면이 원형인 케이블 형상의 스트레치가능한 배선으로 하였다.

도 8에 이러한 스트레치가능한 배선의 신장에 대한 저항의 변화를 저항 측정기로 측정한 결과를 나타낸다. 신장률 100% (2 배의 증가)에 대해서도 거의 저항값이 변화하지 않는 우수한 케이블 형상의 스트레치가능한 배선이 수득되었다.

[실시예 5]

실시예 1~4는, 신장에 대해, 가능한한 저항값의 변화를 억제한 스트레치가능한 도전성 시트 또는 케이블 형상의 스트레치가능한 배선에 관한 것이지만, 실시예 5는 신장량에 대한 저항값의 변화를 적극적으로 활용하여, 신장량 검출 센서로 하는 것이다.

도 9는 기재로서, 두께 40 ㎛의 점착제 도포 우레탄 엘라스토머를 이용하여 도전성 섬유재료를 첩착하는 배선 폭 W로 전술한 실시예와 마찬가지로 길이 : 0.5 ㎜ ~ 3 ㎜, 직경 : 17.6 ㎛의 은 도금 나일론 섬유를 포화 상태로 점착시켰다.

도 10은 W를 변화시켰을 때의 신장률에 대한 저항값의 변화의 측정 결과를 나타낸다.

배선 폭 5 ㎜ ~ 20 ㎜는 신장률에 대하여 저항값의 변화가 적고, 스트레치가능한 도전 회로로서 우수한 특성을 나타내고 있지만, 배선 폭을 2 ㎜로 한 때에는, 신장률에 대해 거의 선형으로 저항값이 증가하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 은 도금 나일론 섬유의 개개의 섬유 길이를 짧게 해도 마찬가지이다.

이러한 특성을 이용하여 은 도금 나일론 섬유의 길이, 직경, 그리고 배선 폭(W)을 다양하게 선택함으로써 저항값과 신장률을 미리 맵화 해두면, 신장량 센서로 이용하는 것이 가능하게 된다.

[실시예 6]

본 실시예에서는 본 발명에 따른 스트레치가능한 도전 회로를 교차시키고, 교차부에서 대향하는 첩부한 도전성 섬유재료를 대향 전극, 그 사이에 존재하는 엘라스토머 시트 축전부 (캐패시터)로서 기능시켜, 스트레치가능한 정전용량형 압력 센서로 이용한다.

구체적으로는, 도 11에 도시한 바와 같이, 도전성 섬유재료 첩부층(2a)이 수평 방향으로 연장하는 엘라스토머 시트(1a)와 도전성 섬유재료 첩부층(2b)이 수직 방향으로 연장하는 엘라스토머 시트(1b)를 겹쳐 서로 첩부함으로써 도전성 섬유재료 첩부층(2a)과 도전성 섬유재료 첩부층(2b)의 교차점(7)에 존재하는 엘라스토머 시트(1a, 1b)가 전자를 축적하여 커패시터로서 기능한다.

엘라스토머 시트(1a, 1b)의 표면에 대하여 수직 방향으로 압력 또는 하중이 작용하면, 교차점(7)에서 엘라스토머 시트(1a, 1b)가 수축하고, 대향 전극으로서의 도전성 섬유재료 첩부층(2a, 2b) 사이의 거리가 감소하고 정전용량이 증가한다.

도 12에 수직으로 교차시킨 도전성 섬유재료 첩부층(2a, 2b)의 배선 폭(W)을 2 ㎜ ~ 20 ㎜로 했을 때의 압력 증가에 대한 정전용량 변화의 측정 결과를 나타낸다. 배선 폭(W)이 클수록 높은 압력에 이르기까지 정전용량이 증대해 가는 것을 알 수 있다.

도 13은 도전성 섬유재료 첩부층(2a, 2b)의 겹쳐치는 면적을 가로축, 정전용량을 세로축으로 하고, 압력 1N (네모, ■), 200N (동그라미, ●)으로 한 경우의 겹쳐치는 면적에 대한 정전용량 변화 측정의 결과를 나타낸다. 압력 200N의 경우 정전용량과 겹쳐진 면적이 거의 정비례의 관계에 있어, 도전성 섬유재료 첩부층(2a, 2b)의 배선 폭(W)을 크게 함으로써 정확한 압력 측정이 가능하게 되는 것을 알 수 있다.

한편, 도 14는 배선 폭(W)을 2 ㎜, 5 ㎜, 10 ㎜로 했을 때, 엘라스토머 시트(1a, 1b)의 표면에 대해 수평 방향의 응력이 작용하여 신장한 경우의 정전용량 변화의 측정 결과를 나타낸다.

특히 배선 폭 (W)을 2 ㎜, 5 ㎜로 한 때는, 신장률에 대해 정전용량이 거의 변화하지 않는다. 이것은 신장에 의해 엘라스토머 시트(1a, 1b)가 수축하고, 정전용량을 증대시키지만, 수축에 수반하여 겹쳐지는 부분의 면적도 감소하기 때문에, 양자가 상쇄되고 있는 것으로 생각할 수 있다.

따라서, 본 실시예의 스트레치가능한 정전용량형 압력 센서는, 배선 폭(W)을 선정함으로써 수평 방향의 신장에 관계없이 수직 방향으로 작용하는 압력이나 하중을 정확하게 검출할 수 있게 된다.

본 실시예에서는 다양한 변형이 가능하다.

도 15는 엘라스토머 시트(1a, 1b) 사이에 소정의 두께를 갖는 도전성 섬유재료 첩부층이 없는 엘라스토머 시트(1c, 1d)를 개재시키는 것으로, 전극 간 갭을 넓힌 예를 도시하고 있다.

도 16은 스트레치가능한 도전 회로에 500N의 압력을 로딩했을 때의 개재시킨엘라스토머 시트의 매수에 대한 정전용량의 변화를 나타낸다.

또한, 도 17은 개재시키는 엘라스토머 시트에 의한 전극 갭을, L1 (1 층)부터 L10 (10 층)까지 늘린 경우, 압력 변화, 하중 변화에 대한 정전용량의 변화를 나타낸 것이다.

이와 같이, 엘라스토머 시트 층이 적은 경우에는 작은 압력 변화, 하중 변화에 대해 감도를 높일 수 있다. 한편 엘라스토머 시트의 층을 늘려 가면, 압력, 하중이 작은 경우에는 전극 갭의 증가에 응하여 정전용량이 감소하지만, 개재하는 엘라스토머 시트 압력 변화에 대한 수축분을 크게 취할 수 있고, 정전용량 변화를 넓은 범위에서 측정할 수 있게 된다.

도 18은 개재시키는 엘라스토머 시트(1c~1e)에 도전성 섬유재료 첩부층(2a, 2b)의 겹쳐지는 부분에 대응하여 개구를 설치한 것이고, 도 19는, 개구없는 엘라스토머 시트 1층만(L1 ) 있는 것부터 개구가 있는 엘라스토머 시트를 4층(L5)까지 순차적으로 적층한 경우의 압력에 대한 정전용량 변화의 측정 결과를 나타낸다.

개구가 있는 엘라스토머 시트를 1 층 더한 L2에서 가장 높은 감도를 보여 주지만, 개구가 있는 엘라스토머 시트를 순차적으로 늘림으로써 선형 특성이 양호해지고, 정확도를 높이고 더 높은 압력 범위, 하중 범위의 측정이 가능해지는 것을 알 수 있다.

[실시예 7]

본 실시예에서는 본 발명에 따른 스트레치가능한 도전 회로를 신장 검출 센서로 이용하는 제 1 스트레치가능한 도전 회로에 대해, 이것에 교차하는 제 2 스트레치가능한 도전 회로를 스트레치가능한 정전용량형 압력 센서로 이용하여 신장과 압력,하중을 동시에 측정하는 것을 가능하게 하는 것이다.

도 20에 도시한 바와 같이, 제 1 스트레치가능한 도전 회로를 구성하는 엘라스토머 시트(1a)에는, 수평 방향으로 1 개의 도전성 섬유재료 첩부층(2a)이 형성되어 있으며, 제 2의 스트레치가능한 도전 회로(1b)를 구성하는 엘라스토머 시트(1b)에는 수직 방향으로 5 개의 도전성 섬유재료 첩부층(2b)이 형성되어 있다. 여기서, 도전성 섬유재료 첩부층 2a와 도전성 섬유재료 첩부층 2b의 겹쳐지는 부분에서 양단 사이의 도전성 섬유재료 첩부층(2a)의 저항값을 측정함으로써 실시예 5와 마찬가지로 신장을 측정할 수 있다. 또한 이 곳에서의 도전성 섬유재료 첩부층 2a, 도전성 섬유재료 첩부층 2b 사이의 정전용량을 측정하여 압력, 하중을 측정할 수 있다.

전술한 바와 같이, 압력 측정값에 대한 신장의 영향은 적기 때문에, 도 20의 예에서는 5 점의 개소에서의 신장과 압력, 하중을 독립적으로 동시에 측정할 수 있다.

실제 측정 결과를 도 21, 도 22에 나타낸다.

이 예에서는 도 21에 도시한 바와 같이, 제 1 스트레치가능한 도전 회로를 구성하는 엘라스토머 시트(1a), 제 2 스트레치가능한 도전 회로를 구성하는 엘라스토머 시트(1b)는 각각 100 ㎜×45 ㎜의 직사각형이다. 엘라스토머 시트 1a에는 수평 방향으로 1 개의 도전성 섬유재료 첩부층 2a이, 그리고 엘라스토머 시트 1b에는 수직 방향으로 8 개의 도전성 섬유재료 첩부층 2b가 형성되어, C1 ~ C8의 8 점에서 겹쳐지는 부분이 형성되어 있다.

도 22는 정전용량 소자를 형성하는 8 점의 겹쳐지는 부분 가운데 C1과 C4의 사이에 신장을 부여하고, C3과 C7에 하중을 부여하였을 때의 8 개의 도전성 섬유재료 첩부층(2b) 사이의 저항값 R1 ~ R8, 그리고 정전용량 소자를 형성하는 8 점의 겹쳐지는 부분 C1 ~ C8 각각의 정전용량의 측정 결과를 나타낸다.

도 23은 이 측정 결과를 상단에, 실제의 신장률, 하중을 하단에 나타낸 것으로, 양자가 높은 상관성을 보여주고 있다는 것을 알 수 있다.

따라서 제 1, 제 2의 스트레치가능한 도전 회로의 조합마다 저항값과 신장, 정전용량과 압력, 하중의 관계를 맵화하여 두는 것에 의해, 겹쳐지는 부분마다 신장과 압력, 하중의 관계를 정확하게 측정하는 것이 가능하다. 그러면 예를 들어 스포츠웨어를 개발할 때 특정 부위의 신축성 정도와 피부에 작용하는 하중의 관계를 측정하여 최적 설계를 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 엘라스토머 시트의 점착층에 소정의 직경 및 길이를 갖는 도전성 섬유재료를 첩착하는 것만으로 엘라스토머 시트의 유연성을 손상시키지 않고 신축성, 굴곡성, 내구성이 뛰어난 스트레치가능한 도전 회로를 저비용으로, 게다가 대량 생산이 가능해진다. 이 때문에 RFID 기기용 안테나 및 배선, 스포츠 과학에서의 운동 분석 센서용 배선, 의복형 심박·심전도 모니터, 로봇 가동부의 배선, 손가락 센서용 배선, 손가락, 팔꿈치 관절, 무릎 관절에 장착되는 굴곡 센서용 배선 등으로 널리 채용될 것으로 기대할 수 있다.

또한 도전성 섬유재료의 섬유 길이 등을 선정함으로써 신장량 센서로 이용하거나 엘라스토머 시트를 개재시켜 도전성 섬유재료의 첩부층을 대향시킴으로써 압력 센서로 이용할 수도 있다.

1 : 엘라스토머 시트
2 : 도전성 섬유재료
3 : 회로 배선
4 : 마스크
5 : 브러쉬 롤러
6 : 스프레이

Claims (12)

1. 표면에 소정의 패턴을 갖는 배선 영역에 대응하여 점착층이 형성된 엘라스토머 시트와,
   소정의 직경 및 길이를 갖는 도전성 섬유재료로서, 상기 점착층에 첩착되고, 상기 배선 영역을 따라서 서로 전기적으로 도통하도록 접촉하는 도전성 섬유재료를 구비하고,
   상기 도전성 섬유재료의 길이는, 0.5 ㎜ ~ 3 ㎜이며,
   상기 엘라스토머 시트가 신축 또는 굴곡한 때에, 상기 도전성 섬유재료가 서로 전기적 도통을 유지하면서 상대 이동하고, 상기 배선 영역에서의 전기적 도통을 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 점착층에 첩착시킨 도전성 섬유재료의 표면에 상기 엘라스토머 시트 또는 상기 엘라스토머 시트보다 높은 유연성을 갖는 박막으로 이루어진 피복층으로 봉지한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 엘라스토머 시트의 양면을 접착층으로 하고, 한 쪽 점착층에 첩착한 상기 도전성 섬유재료를 안쪽으로 하여 상기 엘라스토머 시트를 감아 넣어, 도선상으로 한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
4. 제2항에 있어서, 상기 도전성 섬유재료의 개개의 섬유의 섬유 길이 또는 첩착하는 배선 폭을 선정함으로써, 상기 엘라스토머 시트가 신축 또는 굴곡한 때에 그 신장률에 응하여 전기적으로 이격하는 상기 도전성 섬유재료를 증대시켜, 전기적 저항을 증가시킴으로써 신장량을 검출하는 신장량 검출 센서로 한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
   
5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 2 매의 엘라스토머 시트에 첩착된 상기 도전성 섬유재료를 서로 교차시키고, 그 교차부에서, 각 도전성 섬유재료의 접착층을 대향전극, 이 대향 전극 사이의 엘라스토머 시트를 커패시터로 하여, 수직 방향으로 작용하는 압력, 하중에 의한 상기 전극 사이의 엘라스토머 시트의 신축에 수반하여 상기 대향 전극 사이의 정전용량을 변화시킴으로써 압력 센서로 한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 교차부에 상기 도전성 섬유재료가 첩착되어 있지 않은 엘라스토머 시트를 적층한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 도전성 섬유재료가 첩착되지 않은 엘라스토머 시트의 적어도 1 층에 상기 교차부의 하부에 개구를 설치한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
   
8. 제5항에 있어서, 상기 2 매의 엘라스토머 시트의 일방에, 상기 도전성 섬유재료의 접착층을 복수 열 형성하고, 타방의 엘라스토머 시트에 형성한 상기 도전성 섬유재료의 접착층에 대하여 길이 방향으로 복수의 개소에서 상기 교차부를 형성한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
9. 제5항에 있어서, 상기 2 매의 엘라스토머 시트 중 일방을 신장량 검출 센서로 하고, 상기 교차부를 압력 센서로 한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로.
   
10. 엘라스토머 시트의 표면에 소정의 패턴을 갖는 배선 영역에 대응하는 마스크를 이용하여 점착층을 형성하는 공정과,
    상기 점착층에 도전성 섬유재료를 첩착시키는 공정과,
    상기 도전성 섬유재료 중 상기 점착층에 도포할 수 없었던 도전성 섬유재료를 제거하는 공정과,
    상기 점착층 경화 후에 상기 마스크를 제거하는 공정으로 이루어지고,
    상기 점착층에 도포된 상기 도전성 섬유재료의 길이는, 0.5 ㎜ ~ 3 ㎜인 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로의 제조방법.
    
11. 제10항에 있어서, 브러쉬 롤러법을 이용하여, 상기 점착층에 상기 도전성 섬유재료를 첩착시키도록 한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로의 제조방법.
    
12. 제11항에 있어서, 스프레이법을 이용하여, 상기 점착층에 상기 도전성 섬유재료를 첩착시키도록 한 것을 특징으로 하는 스트레치가능한 도전 회로의 제조방법.
    
    

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