KR102003644B1

KR102003644B1 - 신축 전도성 연결 기반 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102003644B1
Application number: KR1020180074662A
Authority: KR
Inventors: 조현민; 안선민
Original assignee: 조현민
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2019-10-01
Also published as: US10856425B2; US20200146159A1; US20200008307A1; US10721824B2

Abstract

신축 전도성 연결 기반 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 신축 전도성 연결 기반 신축성 전자 장치는, 내부에 제1 전도성 채널을 가지고, 하나 이상의 다채널 전기 부품의 장착을 위한 표면을 가지는 신축성 기판; 및 상기 신축성 기판에 구비되고, 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 다채널의 다양한 3차원 입체 구조로 연장되고, 신축성을 가지는 신축 전도성 연결체를 포함한다. 상기 신축 전도성 연결체는, 상기 제1 전도성 채널에 전기적으로 연결되고, 신축성을 가지는 제2 전도성 채널; 및 상기 제2 전도성 채널이 상기 전기 부품의 전극에 전기적으로 연결되도록, 상기 신축 전도성 연결체의 상면을 상기 전기 부품에 부착시키기 위한 다양한 구조의 전도성 연결부를 포함한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 다채널의 다양한 3D 입체 구조의 신축 전도성 연결체에 의해 전기 부품에 가해지는 스트레스/변형을 최소화하고, 스트레스/변형으로 인한 다채널의 고성능 전기 부품의 성능 저하를 최소화할 수 있다.

Description

신축 전도성 연결 기반 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법{STRETCHABLE CONDUCTIVE CONNECTION-BASED STRETCHABLE ELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 부품에 가해지는 스트레스/변형을 최소화하는 신축 전도성 연결 기반의 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 웨어러블 전자기기에 대한 관심이 고조되고 있다. 웨어러블 전자기기는 인장, 압축, 휘어짐 등의 변형 및 스트레스에 따라 고성능 집적회로(Integrated Circuit) 칩의 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 종래의 IC 칩은 딱딱한 인쇄 회로 기판(PCB; Printed Circuit Board)의 2차원 평면상에 납땜(Solder)으로 연결되어 있으며, 전기적 접촉 부위 및 PCB 기판 자체가 유연/신축하지 못해 외부의 기계적 변형에 취약한 단점을 가지고 있다. 웨어러블 전자기기는 반복된 물리적 변형 및 스트레스로 인해, IC 칩과 PCB 간의 전기적 접촉 상태가 불안정해져 성능이 현저히 저하될 수 있으며, 전기적 접촉 부분의 파단으로 인해 쉽게 고장이 발생할 수 있다. 또한, 일반적으로, IC 칩은 전극 물질을 납땜하여 PCB에 연결되므로, PCB에 다양한 성능의 IC 칩을 교체, 업그레이드하기 어렵다.

본 발명은 3D 입체 구조의 신축 전도성 연결체에 의해 전기 부품에 가해지는 스트레스/변형을 최소화하고, 스트레스/변형으로 인한 전기 부품의 성능 저하를 최소화 할 수 있는 신축 전도성 연결 기반 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 점진적 탄성 계수 변화 메커니즘(예를 들어, 액체 금속, 전도성 신축 폴리머, 탄성중합체 순서로 탄성계수 변화)을 활용하여 스트레스/변형에 관계 없이 딱딱한 고성능의 전기 부품(예를 들어, IC 칩)과 신축성 기판(예를 들어, Stretchable PCB) 간의 전기적 접촉 상태를 안정적으로 확보할 수 있는 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 다양한 3D 입체 구조를 통하여 외부 변형 하에서도 전도성 변화 없이 양호한 전기적 연결을 유지할 수 있으며, 복수개(다채널)의 전극 연결이 가능하여 고성능의 신축/유연한 웨어러블 전자기기로의 활용이 가능한 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 다양한 크기 및 모양의 흡판 구조를 통하여 전기 부품을 신축성 기판에 탈부착할 수 있어 전기 부품의 교체를 용이하게 할 수 있으며, 탈부착이 필요 없을 시 전도성 접착 물질 또는 접착 물질/흡판 복합 구조를 통하여 전기적 연결을 안정적으로 확보할 수 있는 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 신축성 전자 장치는, 내부에 제1 전도성 채널을 가지고, 하나 이상의 전기 부품을 장착하기 위한 표면을 가지는 신축성 기판; 및 상기 신축성 기판에 구비되고, 3차원 입체 구조로 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 연장되고, 신축성을 가지는 신축 전도성 연결체를 포함한다.

상기 신축 전도성 연결체는, 상기 제1 전도성 채널에 전기적으로 연결되고, 신축성을 가지는 제2 전도성 채널; 및 상기 제2 전도성 채널이 상기 전기 부품의 전극에 전기적으로 연결되도록, 상기 신축 전도성 연결체의 상면을 상기 전기 부품에 부착시키기 위한 전도성 연결부를 포함한다.

상기 신축 전도성 연결체는 상기 신축성 기판을 다채널 전기 부품의 전극들에 전기적으로 연결시키기 위한 다채널 구조로 제공될 수 있다. 상기 전도성 연결부는 다양한 구조 및 물질로 구성될 수 있다.

상기 전도성 연결부는, 상기 신축 전도성 연결체의 상면을 상기 전기 부품에 연결시키는 전도성 흡판 구조, 전도성 접착 물질, 전도성 흡판 구조 및 접착 물질 복합 형태로 제공될 수 있다.

상기 전도성 흡판 구조는 전도성 흡판, 흡착 공극, 미세 흡착 공극, 또는 이들의 복합 구조를 포함하며, 상기 전기 부품과의 탈부착이 가능하게 제공될 수 있다.

상기 전도성 연결부는, 전도성 접착 물질을 통하여 탈부착이 불가능하게 제공될 수 있다. 또는 전도성 흡판 구조 및 상기 전도성 접착 물질의 복합구조를 통하여 안정적인 전기적 연결을 확보 할 수 있다.

상기 신축 전도성 연결체는, 상기 제2 전도성 채널의 측면을 감싸는 신축성 부재에 의해 코어-쉘 구조로 제공될 수 있다.

상기 제2 전도성 채널은 상기 신축성 부재 내에 충진되는 신축 전도성 물질로 금속 등의 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속(예, EGaIn: Eutectic Gallium-Indium), 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 제1 전도성 채널은, 상기 신축성 기판 내에 전자기기 회로 채널로 제공될 수 있다.

상기 제1 전도성 채널은 상기 신축성 기판 내에 충진되는 신축 전도성 물질로 금속 등의 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속(예, EGaIn: Eutectic Gallium-Indium), 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다

상기 신축 전도성 연결체는 상기 전도성 연결부와, 상기 신축성 부재의 상단부에 마련되는 흡착 컵 또는 흡착 캡 구조를 포함할 수 있으며, 또는 이들의 복합 구조로 제공될 수 있다.

상기 전도성 흡판 구조는 다양한 크기 및 모양의 구조로 제작될 수 있다.

상기 전도성 연결부는, 상기 제2 전도성 채널 물질과 상기 전기 부품 사이의 전기적 접촉 상태를 유지하도록, 상기 제2 전도성 채널 물질과 상기 전기 부품의 전극 사이에 개재될 수 있다.

상기 신축 전도성 연결체는 상기 신축성 기판의 표면에 멀어지는 방향으로 연장되어 3차원 구조를 가질 수 있다. 상기 신축성 기판은 상기 제1 전도성 채널을 가지는 신축성 인쇄 회로 기판(PCB; Printed Circuit Board)이고, 상기 전기 부품은 집적회로(IC; Integrated Circuit) 칩일 수 있다.

상기 신축 전도성 연결체는 스프링 구조를 가지거나, 복수개(다채널)의 전극 연결을 위한 3차원 프랙탈(fractal) 구조를 가지거나, 3차원 스프링 및 프랙탈 복합 구조로 제공될 수 있다.

상기 신축 전도성 연결체는, 상기 제2 전도성 채널을 복수개(다채널) 포함하고, 상기 복수개의 제2 전도성 채널은 상기 전기 부품의 복수개(다채널)의 전극에 연결되고, 상기 복수개의 제2 전도성 채널 간의 상부측 간격은 3차원 프랙탈(fractal) 구조를 위해 하부측 간격보다 넓을 수 있다.

상기 신축 전도성 연결체는 점진적으로 탄성 계수가 변화되는 구조(예를 들어, 액체 금속, 전도성 신축 폴리머, 탄성중합체 순서로 탄성계수 변화)로 마련되어 신축 전도성 연결체에 가해지는 스트레스/변형을 최소화 하면서, 딱딱한 고성능의 전기 부품(예를 들어, IC 칩)과 신축성 기판(예를 들어, Stretchable PCB) 간의 전기적 접촉 상태를 안정적으로 확보할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는, 상기 복수개(다채널)의 제2 전도성 채널의 측면을 감싸는 신축성 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 신축성 부재는, 상기 복수개의 제2 전도성 채널을 전체적으로 감싸는 하부 쉘; 및 상기 하부 쉘로부터 분지되고, 상기 복수개의 제2 전도성 채널을 각각 감싸는 복수개(다채널)의 가지 쉘을 포함하는 3차원 프랙탈(fractal) 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 신축성 전자 장치의 제조 방법은 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판 및 신축 전도성 연결체를 제조하고 연결하는 단계; 및 전기 부품을 상기 신축성 전자 장치의 신축 전도성 연결체에 부착하는 단계를 포함한다.

상기 신축 전도성 연결체는 스프링 구조 또는 3차원 프랙탈 구조를 갖거나, 3차원 스프링 및 프랙탈 복합 구조를 가지도록 제조될 수 있다.

상기 신축성 기판 및 신축 전도성 연결체를 제조하는 단계는, 3D 프린터에 의해 상기 신축성 기판 및 상기 신축 전도성 연결체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 신축성 기판을 제조하는 단계는, 상기 신축성 기판 내에 신축 전도성 채널 물질로 금속 등의 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속(예, EGaIn: Eutectic Gallium-Indium), 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물 중의 적어도 하나를 포함하는 전도성 채널 물질을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 신축 전도성 연결체를 제조하는 단계는, 상기 신축성 기판의 표면에 결합된 신축성 부재 내에 신축 전도성 채널 물질로 금속 등의 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속(예, EGaIn: Eutectic Gallium-Indium), 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물을 포함하는 전도성 채널 물질을 주입하는 단계; 및 상기 전도성 연결부를 제조하여 상기 전도성 채널 물질의 상부에 상기 전도성 연결부를 결합하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전도성 연결부를 제조하는 단계는, 상기 전도성 흡착 공극 및 상기 전도성 미세 흡착 공극을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 전도성 흡착 공극을 제조하는 단계는, 흡착에 필요한 공극 구조를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전도성 미세 흡착 공극을 제조하는 단계는, 유리 기판 위에 폴리스틸렌 비드를 도포하는 단계; 상기 유리 기판 상의 상기 폴리스틸렌 비드를 연화 온도로 가열하여 상기 폴리스틸렌 비드를 변형시키는 단계; 상기 유리 기판 상에, 상기 폴리스틸렌 비드를 덮도록 신축/유연 전도성 물질을 형성하는 단계; 및 상기 폴리스틸렌 비드를 제거하여 상기 신축/유연 전도성 물질에 상기 전도성 미세 흡착 공극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전도성 미세 흡착 공극은 상기 전도성 흡판, 전도성 흡착 공극, 흡착 컵, 흡착 캡 구조들, 및/또는 전도성 접착 물질과 함께 복합 구조를 형성할 수 있다.

본 발명은 3D 입체 구조의 신축 전도성 연결체를 통하여 전기 부품에 가해지는 스트레스/변형을 최소화하고, 스트레스/변형으로 인한 전기 부품의 성능 저하를 최소화 할 수 있는 신축 전도성 연결 기반 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 다양한 크기 및 모양의 흡판 구조를 통하여 전기 부품을 신축성 기판에 탈부착할 수 있어 전기 부품의 교체를 용이하게 할 수 있으며, 탈부착이 필요 없을 시 접착 물질 또는 접착 물질/흡판 복합 구조를 통하여 전기적 연결을 안정적으로 확보할 수 있는 신축성 전자 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 측면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판과 다수의 신축 전도성 연결체를 보여주는 평면도이다.
도 3a는 도 1a의 'A'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 3b 및 도 3c는 도 3a의 'B'부 확대도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1a의 'A'부를 확대하여 보여주는 단면도로서, 신축 전도성 연결체의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치에 다양한 스트레스/변형이 가해진 상태를 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치에 대한 성능 평가 실험의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판의 인장 변형에 따른 신축 전도성 연결체의 저항 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판의 인장 변형에 따른 신축 전도성 연결체의 인장 변형의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 도면이다.
도 11b는 도 11a의 'B-B'선에 따른 단면도이다.
도 11c는 도 11a의 'C-C'선에 따른 단면도이다.
도 12는 도 11a의 'B-B'선에 따른 단면도로서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 전도성 채널들의 배열 구조를 보여주는 도면이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축 전도성 연결체의 측면도이다.
도 14a는 도 3a의 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다.
도 14b는 도 13a의 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다.
도 15a는 도 3a의 신축 전도성 연결체 구조를 가지면서 신축 전도성 연결체의 개수가 8개인 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다.
도 15b는 도 13d의 신축 전도성 연결체 구조를 가지면서 전도성 채널의 개수가 8개인 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다.
도 16은 도 13d의 신축 전도성 연결체 구조를 가지면서 전도성 채널의 개수가 16개인 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다.
도 17a 내지 도 17g는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 17h는 도 17a의 'C'부를 확대하여 보여주는 부분 절개 사시도이다.
도 18a 내지 도 18d는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축 전도성 연결체를 보여주는 사시도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 20a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 20b는 도 20a의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축 전도성 연결체에 전기 부품이 부착된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 전도성 연결부에 흡착 공극을 형성하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 23 내지 도 26은 도 22의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 전도성 연결부에 흡착 공극을 형성하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다.
도 28은 도 27의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축 전도성 연결체에 전기 부품이 접합된 상태를 보여주는 도면이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.

이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이며, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 신축 전도성 연결 기반 신축성 전자 장치는 신축성 기판(예를 들어, Stretchable PCB)에 신축성을 가지는 신축 전도성 연결체가 구비되고, 신축 전도성 연결체를 매개로 전기 부품(예를 들어, 딱딱한 IC 칩)이 신축성 기판에 장착될 수 있다.

본 실시예에 의하면, 3차원 구조의 신축 전도성 연결체를 매개로 신축/유연한 PCB 위에 고성능의 IC 칩을 전기적으로 연결함으로써, 신축 전도성 연결체에 의해 IC 칩에 가해지는 스트레스/변형을 최소화할 수 있다.

따라서, 본 실시예에 의하면, 웨어러블 전자기기에 사용되어 신축성 PCB에 인장/압축/휘어짐 등의 스트레스/변형이 과도하게 발생하는 경우에도 IC 칩의 성능 저하를 방지할 수 있다.

실시예에서, 신축 전도성 연결체의 상면은 전도성 흡판, 전도성 흡착 공극, 다양한 사이즈(나노/마이크로 스케일)의 전도성 미세 흡착 공극(suction air pocket/cavity) 또는 이들의 복합 구조 등과 같은 전도성 흡판 구조에 의해, IC 칩의 탈/부착이 가능한 형태로 제공될 수 있다. 이에 따라, 신축성 기판 위에 IC 칩의 교체/업그레이드 등을 용이하게 수행할 수 있다.

실시예에서, 신축 전도성 연결체는 신축성 기판에 스트레스/변형 발생시에도 신축/유연한 PCB와 단단한 IC 칩 간의 전기적 접촉 상태를 견고하게 유지할 수 있는 전도성 접착 물질, 전도성 흡판 구조(전도성 흡판, 전도성 흡착 공극, 다양한 사이즈의 전도성 미세 흡착 공극 또는 이들의 복합구조), 이러한 물질 및 구조의 복합된 형태를 가질 수 있다.

실시예에서, 신축 전도성 연결체는 점진적으로 탄성 계수가 변화되는 구조(예를 들어, 액체 금속, 전도성 신축 폴리머, 탄성중합체 순서로 탄성계수 변화)로 마련되어 신축 전도성 연결체에 가해지는 스트레스/변형을 최소화 하면서, 신축성 PCB와 IC 칩 간의 접합성을 극대화할 수 있다.

실시예에서, 신축 전도성 연결체는 IC 칩에 가해지는 스트레스/변형 및 전기적 특성 변화를 최소화하기 위하여, 스프링(spring) 구조, 3차원 프랙탈(fractal), 또는 3차원 스프링/프랙탈 복합 구조로 제공될 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 측면도이다. 도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 측면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판과 다수의 신축 전도성 연결체를 보여주는 평면도이다.

도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 신축성 전자 장치(10)는 신축성 기판(100)과, 신축성 기판(100)에 구비되는 다수의 신축 전도성 연결체(200), 및 다수의 신축 전도성 연결체(200)를 매개로 신축성 기판(100)에 장착되는 다수의 전기 부품(300)을 포함할 수 있다.

신축성 기판(100)은 신축성(stretchable) 및 유연성(flexible)을 가지는 기판으로 제공될 수 있다. 신축성 기판(100)은 얇은 판 형상으로 제공될 수 있다. 실시예에서, 신축성 기판(100)은 인쇄 회로 기판(PCB; Printed Circuit Board)과 같이 내부에 전자 회로를 가지는 전도성 채널(120)을 가질 수 있다.

신축성 기판(100)은 내부에 다수의 전기 회로(Electric circuit)를 구성하는 전도성 채널(제1 전도성 채널, 120)을 갖는다. 제1 전도성 채널(120)은 신축성을 가지는 전도성 물질, 예를 들어, 금속 등의 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속(예: EGaIn), 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물 등으로 제공될 수 있다.

전도성 채널(120)은 나노 또는 마이크로 크기의 채널로 제공될 수 있다. 전도성 채널(120)은 전기 부품(300)들에 전류/전압(예를 들어, 접지 전압, 전원 전압 등) 인가, 제어신호 전달, 통신을 하거나, 전기 부품(300)들의 단자들 간을 전기적으로 연결시키는 등의 기능을 하도록 설계될 수 있다.

신축성 기판(100)은 늘어나거나 휘어질 수 있는 재질, 예를 들어, 실리콘 계열 폴리머(PDMS; Polydimethylsiloxane)와 같은 실리콘 계열 물질 등으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

신축 전도성 연결체(200)는 늘어나거나 휘어질 수 있는 신축성 재질로 제공될 수 있다. 신축 전도성 연결체(200)는 신축성 기판(100)의 표면(평면)(110)으로부터 수직한 방향 및 멀어지는 방향으로 형성되고, 신축성 기판(100)의 표면(110) 상에 전기 부품(300)들을 장착하기 위한 3차원 입체 구조를 형성할 수 있다.

실시예에서, 신축 전도성 연결체(200)는 신축성 기판(100)의 신축성 물질과 같은 물질로 이루어져 신축성 기판(100)과 일체로 형성되거나, 신축성 기판(100)과 별도로 제작되어 신축성 기판(100)의 표면(110) 측에 결합될 수 있다.

도 3a는 도 1의 'A'부를 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 3b 및 도 3c는 도 3a의 'B'부 확대도이다. 도 3b는 전기 부품(300)이 신축 전도성 연결체(200)에 부착(흡착)된 상태를 나타낸 것이고, 도 3c는 전기 부품(300)이 신축 전도성 연결체(200)로부터 분리된 상태를 나타낸 것이다.

도 1a 내지 도 3c를 참조하면, 다수의 신축 전도성 연결체(200)는 신축성 기판(100)의 표면(110)으로부터 멀어지는 방향으로 연장되어, 신축성 기판(100)의 표면(110) 상에 3D 입체 구조를 형성한다.

전기 부품(300)들은 기판(100)의 표면(110)으로부터 입체 구조를 가지도록 돌출 형성된 다수의 신축 전도성 연결체(200)에 부착되어 신축성 기판(100)에 장착되는 동시에, 신축성 기판(100)에 전기적으로 접속된다.

실시예에서, 신축 전도성 연결체(200)는 원기둥, 다각형 기둥(사각형 기둥) 등의 기둥 형태로 이루어져 신축성 기판(100)의 표면(110)에 수직한 방향(Z) 및 멀어지는 반향으로 연장 돌출될 수 있다.

실시예에서, 신축 전도성 연결체(200)는 전도성 채널(제2 전도성 채널)(210), 제2 전도성 채널(210)의 측면을 감싸는 신축성 부재(220) 및 신축 전도성 연결체(200)의 상면을 전기 부품(300)에 부착시키는 전도성 연결부(230)를 포함할 수 있다. 제2 전도성 채널(210)은 나노 또는 마이크로 크기의 채널로 제공될 수 있다.

제2 전도성 채널(210)은 신축성 기판(100)의 제1 전도성 채널(120)에 전기적으로 연결된다. 제2 전도성 채널(210)은 전기 부품(300)의 전극(310)을 신축성 기판(100)의 제1 전도성 채널(120)에 전기적으로 접속시키는 기능을 제공한다. 이러한 접속을 통하여 전기 부품(300)들에 전류/전압(예를 들어, 접지 전압, 전원 전압 등) 인가, 제어신호 전달, 통신을 하거나, 전기 부품(300)들의 단자들 간을 전기적으로 연결시키는 등의 기능을 하도록 설계할 수 있다.

제2 전도성 채널(210)은 신축성을 가지는 전도성 물질, 예를 들어, 전도성 액체 금속(예: EGaIn), 전도성(금속 재질 등) 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물로 제공될 수 있다.

신축성 부재(220)는 원형, 다각형(사각형) 등의 기둥 형상으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 신축성 부재(220)는 늘어나거나 휘어질 수 있는 재질, 예를 들어, 실리콘 계열 폴리머(PDMS; Polydimethylsiloxane)과 같은 실리콘 계열 절연 물질 등으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

전도성 연결부(230)는 전도성 채널(210)이 전기 부품(300)의 전극(310)에 전기적으로 연결되도록, 신축 전도성 연결체(200)의 상면을 전기 부품(300)에 진공 흡착시키는 흡판 구조(sucker)를 포함할 수 있다. 도 1a 내지 도 3c의 실시예에서, 흡판 구조는 전도성 흡판(231)을 포함할 수 있다.

도 1a 내지 도 3c에 도시되지 않았으나, 신축 전도성 연결체(200)는 전도성 흡판(231)과, 흡착 컵(예를 들어, 도 4a의 도면부호 232), 흡착 공극 (예를 들어, 도 22의 도면부호 236) 또는 이들의 복합 구조체를 포함할 수 있다. 대안적으로, 전도성 연결부(230)는 이러한 흡판 구조뿐만 아니라 전도성 접착 물질(전도성 접착제)을 포함하거나, 전도성 접착 물질 및 흡판 구조의 복합 형태로 제공될 수도 있다.

전도성 흡판(231)은 신축 전도성 연결체(200)의 상단부에 구비될 수 있다. 실시예에서, 전도성 흡판(231)은 전도성 물질(예를 들어, 전도성 신축 폴리머)로 이루어져 신축성 부재(220)의 상단 중앙부의 구멍에 삽입, 결합되는 몸체(231a)와, 몸체(231a)의 상면부에 형성되는 전도성 재질의 흡착판(231b)을 포함할 수 있다.

흡착판(231b)은 몸체(231a)보다 큰 면적을 가지도록 몸체(231a)로부터 반경 방향으로 확장되고, 중앙부를 향하여 오목한 곡면을 가지는 컵(cup) 또는 캡(cap) 형상으로 제공될 수 있다. 전도성 흡판(231)은 신축성을 갖는 전도성 재질로 형성될 수 있다.

다른 실시예로, 전도성 흡판(231) 대신, 전도성 접착제(conductive adhesive)에 의해 신축 전도성 연결체(200)와 전기 부품(300)을 접합하는 것도 가능하다. 이 경우, 신축 전도성 연결체(200)의 전도성 연결부(230)는 전도성 접착제를 포함한다.

전기 부품(300)은 단자 형태의 전극(310)을 하나 이상 포함할 수 있다. IC 칩의 경우, 4개, 6개, 8개, 많게는 10개 이상의 단자들을 갖는다. 전극(310)은 전기 부품(300)의 하면에 형성될 수 있다. 실시예에서, 전기 부품(300)은 집적회로 칩일 수 있다.

전기 부품(300)은 예를 들어, 중앙처리장치(CPU; Central Processing Unit), 그래픽 카드(Graphic Card), SSD(solid state drive), RAM(Random Access Memory) 등의 메모리, 센서와 같은 다양한 집적 회로(IC; Integrated Circuit) 칩을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

전기 부품(300)은 신축 전도성 연결체(200)들에 부착되어, 신축성 기판(100)의 표면(110)으로부터 이격된 상태로 지지된다. 따라서, 전기 부품(300)이 직접 신축성 기판(100)의 표면(110)에 접합되지 않으므로, 신축성 기판(100)의 스트레스/변형이 직접적으로 전기 부품(300)에 전달되는 것을 방지할 수 있다.

실시예에서, 신축 전도성 연결체(200)들은 신축성 기판(100)의 상면에 매트릭스 형태로 배열되거나, 미리 결정된 전기 부품(300)들의 장착 위치에 위치가 설정될 수 있다. 신축 전도성 연결체(200)들의 배열 및 간격은 전기 부품(300)들의 전극(310)들의 배열 및 간격과 동일하게 설정될 수 있다.

실시예에서, 전기 부품(300)의 전극(310)들은 동일한 높이로 배치될 수 있다. 동일한 전기 부품(300)을 부착시키기 위해 제공되는 신축 전도성 연결체(200)들의 그룹은 전기 부품(300)의 부착을 위해 모두 동일한 길이를 갖도록 이루어져, 일정한 상단 높이를 가지도록 제공될 수 있다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 다양한 크기의 전기 부품들(300a, 300b, 300b)을 부착하기 위해 제공되는 신축 전도성 연결체(200)들의 그룹들(200a, 200b, 200c)은 전기 부품(300)을 부착하기 위해 다른 길이로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 다양한 전기 부품들(300a, 300b, 300c) 간의 충돌을 막을 수 있다. 또한, 전기 부품들(300a, 300b, 300c)의 실장 면적을 줄여 신축성 전자 장치(10)를 소형화할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다. 도 4a는 전기 부품(300)이 신축 전도성 연결체(200)에 부착(흡착)된 상태를 나타낸 것이고, 도 4b는 전기 부품(300)이 신축 전도성 연결체(200)로부터 분리된 상태를 나타낸 것이다.

도 4a 및 도 4b의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 전도성 연결부(230)가 신축성 부재(220)의 상단부에 마련되는 흡착 컵(232)을 포함하는 점에서, 도 3a 내지 도 3c의 실시예와 차이가 있다.

도 4a 및 도 4b의 실시예에서, 흡착 컵(232)은 신축성 부재(220)와 동일한 재질이나 전기 부품과 접합력이 높은 물질로 제공될 수 있다. 흡착 컵(232)은 하방으로 오목한 곡면을 가지는 컵 또는 캡 형상으로 제공될 수 있다. 흡착 컵(232)의 중심부에는 전도성 채널(210)의 상면이 상부로 노출되거나 전도성 연결부(230)가 구비되어 전기 부품(300)의 전극(310)과 접촉/연결 할 수 있다.

도 5a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치에 다양한 스트레스/변형이 가해진 상태를 보여주는 단면도이다. 도 5a는 도 3a에 도시된 신축성 기판(100)이 수평 방향(X)으로 인장된 상태를 나타낸 것이고, 도 5b는 도 3a에 도시된 신축성 기판(100)이 수평 방향(X)으로 압축된 상태를 나타낸 것이다.

도 5a의 도시와 같이, 신축성 기판(100)에 수평 방향(X)의 인장 변형(S1)이 가해지는 경우, 신축 전도성 연결체(200)들이 늘어나 신축 전도성 연결체(200)들의 길이 방향으로 인장 변형(S2)이 생기고, 수평 방향으로 인장 변형(S5)이 생긴다.

이와 반대로, 도 5b의 도시와 같이, 신축성 기판(100)에 수평 방향(X)의 압축 변형(S3)이 가해지는 경우, 신축 전도성 연결체(200)들이 늘어나 신축 전도성 연결체(200)들의 길이 방향으로 인장 변형(S2)이 생기고, 수평 방향으로 압축 변형(S6)이 생긴다. 이와 같이, 신축성 기판(100)의 인장/압축 변형에 따라, 신축 전도성 연결체(200)가 길이 방향 및/또는 수평(평면) 방향으로 인장 또는 압축 변형될 때, 신축 전도성 연결체(200)의 3차원 구조에 의해, 신축성 기판(100)의 변형 증가에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 변형 증가율이 감소/완화되고, 그에 따라 전기 부품(300)으로 전달되는 스트레스/변형이 최소화된다.

또한, 신축 전도성 연결체(200)들의 하부 영역은 인장 또는 압축력에 의해 수평 방향(X)으로 면적이 넓어지거나 줄어들어 스트레스를 흡수하고, 신축 전도성 연결체(200)들의 상부로 갈수록 수평 방향(X) 인장 또는 압축 변형이 감소한다. 그에 따라 전기 부품(300)으로 전달되는 스트레스/변형이 최소화된다.

도 6a는 도 3a에 도시된 신축성 기판(100)이 하방으로 오목하게 휘어진 상태를 나타낸 것이고, 도 6b는 도 3a에 도시된 신축성 기판(100)이 상방으로 볼록하게 휘어진 상태를 나타낸 것이다.

도 6a의 도시와 같이, 신축성 기판(100)이 하방으로 오목하게 휘어지는 경우, 신축 전도성 연결체(200)들은 수평 방향으로 인장 변형(S5)이 작용하고, 내측의 신축 전도성 연결체(200)는 길이 방향으로 인장 변형(S2)되고, 외측의 신축 전도성 연결체(200)는 길이 방향으로 압축 변형(S4)된다.

이와 반대로, 도 6b의 도시와 같이, 신축성 기판(100)이 상방으로 볼록하게 휘어지는 경우, 내측의 신축 전도성 연결체(200)는 길이 방향으로 압축 변형(S4)되고, 외측의 신축 전도성 연결체(200)는 길이 방향으로 인장 변형(S2)된다.

이와 같이, 신축성 기판(100)의 휨 방향 및 휨 정도에 따라, 3차원 구조를 가지는 신축 전도성 연결체(200)들이 길이 방향으로 인장 또는 압축 변형되며, 신축 전도성 연결체(200)의 3차원 구조에 의해, 신축성 기판(100)의 변형 증가에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 변형 증가율이 감소/완화되고, 그에 따라 전기 부품(300)으로 전달되는 스트레스/변형이 최소화된다.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치(10)가 상하 방향(z)으로 압축된 상태를 나타낸 것이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치(10)가 상하 방향(z)으로 인장된 상태를 나타낸 것이고, 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판이 다양한 형태로 변형된 상태를 나타낸 것이다. 도 7a의 도시와 같이, 신축성 전자 장치(100)에 상하 방향(z)의 압축 변형(S7)이 가해지는 경우, 신축 전도성 연결체(200)들에 상하 방향(z)으로 압축 변형(S4)이 생긴다.

반대로, 도 7b의 도시와 같이, 신축성 전자 장치(100)에 상하 방향(z)의 인장 변형(S8)이 가해지는 경우, 신축 전도성 연결체(200)들에 상하 방향(z)으로 인장 변형(S2)이 생긴다.

이와 같이, 신축성 전자 장치(10)의 상하 방향 압축/인장 변형에 따라, 3차원 구조를 가지는 신축 전도성 연결체(200)들이 길이 방향 인장 또는 압축 변형을 통하여 충격/스트레스를 흡수하고, 그에 따라 전기 부품(300)으로 전달되는 스트레스/변형이 최소화된다.

또한, 도 7c에 도시된 바와 같이, 신축성 기판(100)이 복합적인 형태로 변형된 경우에도, 3차원 신축 전도성 연결체(200)들이 3차원 방향으로 압축/인장 변형되면서 변형 증가율 감소/완화 및 충격/스트레스를 흡수하며, 전기 부품(300)에 가해지는 스트레스/변형을 최소화할 수 있다.

도 5a 내지 도 7c를 참조하여 설명한 바와 같이, 신축성 전자 장치(10)에 인장/압축, 휘어짐 등의 변형이 생기는 경우, 스트레스/변형은 신축성 기판(100) 및 신축 전도성 연결체(200)들의 변형에 의해 흡수(완화)되고, 전기 부품(300)에 작용하는 스트레스/변형은 3차원 구조의 신축 전도성 연결체(200)들에 의해 최소화된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치에 대한 성능 평가 실험의 모식도이다. 도 8을 참조하면, 신축성 기판(100)에 수평 방향의 인장 변형(horizontal strain)(S1)을 가한 상태에서, 신축 전도성 연결체(200)의 기둥에 작용하는 인장 변형(column strain)(S2)과 저항(R)을 측정하였다.

신축성 전자 장치(10)의 성능 평가를 위해, 3D 프린터를 이용하여 탱고 블랙 플러스(Tango Black Plus) 소재로 3mm 두께의 신축성 기판(100)과, 2.4 mm 직경(W)의 신축 전도성 연결체(200)를 제작한 후, 신축 전도성 연결체(200)를 신축성 기판(100)에 결합시키거나 일체형으로 제작하였다. 신축 전도성 연결체(200)는 1.2mm 직경의 전도성 채널(210)을 0.6mm 두께의 신축성 부재로 감싼 형태로 제작하였다. 신축성 기판(100)의 전도성 채널(120)의 직경은 1.2mm로 제작하였다. 신축 전도성 연결체(200)들의 배치 간격은 10mm로 하였다.

신축 전도성 연결체(200)를 다양한 길이(L)로 제작하여, 신축 전도성 연결체(200)의 종횡비(L/W)에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형(S2) 및 저항(R)을 측정하였다. 또한, 신축 전도성 연결체(200)의 배치 개수 또한 다양하게 변경하면서, 신축성 기판(100)의 인장 변형(S1)에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형(S2)의 변화를 측정하였다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판(100)의 인장 변형에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 저항 변화를 보여주는 그래프이다. 도 9에 가로축으로 나타낸 신축성 기판(100)의 인장 변형(S1)은 신축성 기판(100)에 인장력이 작용하지 않은 상태를 기준으로 인장력에 의해 늘어난 비율을 나타낸다.

AR1, AR2, AR3은 각각 신축 전도성 연결체(200)의 종횡비(L/W)가 1, 2, 3인 경우의 측정 결과이다. 신축 전도성 연결체(200)의 종횡비가 1인 경우(AR1), 신축성 기판(100)에 50%의 인장 변형(S1)이 작용할 때까지, 신축 전도성 연결체(200)의 저항(R)은 급격한 변화 없이 완만하게 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 신축 전도성 연결체(200)의 종횡비가 1인 경우(AR1), 신축 전도성 연결체(200)의 저항(R)은 50% 이하의 인장 변형(S1) 하에서 0.3Ω 이하의 낮은 값으로 측정되었다.

신축 전도성 연결체(200)의 종횡비가 2, 3인 경우(AR2, AR3)의 저항 변화를 살펴보면, 신축성 기판(100)의 인장 변형을 60 ~ 65% 까지 늘리더라도, 신축 전도성 연결체(200)의 저항 변화는 크지 않으며, 저항 값은 0.2 Ω 이하의 낮은 값을 유지하는 것으로 측정되었다.

인체에서 가장 인장되기 쉬운 신체 부분도 인장 비율은 대략 50% 또는 그 이하이므로, 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치(10)가 신체에 착용되는 웨어러블 전자기기에 적용되더라도, 신축 전도성 연결체(200)가 전기적 특성의 열화(degradation) 현상 없이 정상적으로 작동할 수 있음을 예측할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판(100)의 인장 변형에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 10에서, 가로축은 신축성 기판(100)의 인장 변형(S1)을 나타내고, 세로축은 신축성 기판(100)의 인장 변형(S1)에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형(S2)의 변화를 나타낸다.

신축 전도성 연결체(200)의 종횡비(Aspect Ratio, AR)를 1 부터 10 까지 1 단위로 변화시키면서, 신축성 기판(100)의 인장 변형(S1)에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형(S2)의 변화를 측정하였다. 또한, 신축 전도성 연결체(200)의 기둥(Column) 개수를 2개부터 10개까지 변화시키면서, 신축성 기판(100)의 인장 변형(S1)에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형(S2)의 변화를 측정하였다. 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형(S2)은 신축성 기판(100)에 인장력이 작용하지 않은 상태에서의 신축 전도성 연결체(200)의 길이를 기준으로 인장력에 의해 늘어난 비율을 나타낸다.

도 10의 도시로부터, 낮은 종횡비에서 신축 전도성 연결체(200)의 개수가 많아질수록 인장 변형(S2)은 크게 커지고, 동일 개수의 신축 전도성 연결체(200)인 경우, 종횡비를 증가시킬수록 신축 전도성 연결체(200)에 작용하는 인장 변형(S2)은 감소하는 것을 알 수 있다. 신축 전도성 연결체(200)의 기둥 개수가 10개로 증가하더라도, 신축 전도성 연결체(200)의 종횡비를 증가시키면 신축 전도성 연결체(200)에 작용하는 인장 변형(S2)이 과도하게 증가하는 것을 방지할 수 있다.

도 11a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 도면이다. 도 11a에 도시된 신축성 전자 장치는 신축 전도성 연결체(200)가 3차원 프랙탈(fractal) 구조를 가지는 점에서, 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다.

신축 전도성 연결체(200)는 복수개(다채널)의 전도성 채널(210a, 210b, 210c, 210d)을 포함한다. 복수개의 전도성 채널(210a, 210b, 210c, 210d)은 전기 부품(300)의 복수개(다채널)의 전극(310)에 각각 연결된다.

신축성 부재(220)는 복수개의 전도성 채널(210a, 210b, 210c, 210d)을 전체적으로 감싸는 하부 쉘(222)과, 하부 쉘(222)로부터 분지되어 복수개의 전도성 채널(210a, 210b, 210c, 210d)을 각각 감싸는 복수개(다채널)의 가지 쉘(224a, 224b, 224c, 224d)을 포함할 수 있다.

복수개의 가지 쉘(224a, 224b, 224c, 224d)은 상단부에 각각 전기 부품(300)과의 접합을 위한 다채널 전도성 연결부(230a, 230b, 230c, 230d)가 구비된다. 복수개의 가지 쉘(224a, 224b, 224c, 224d) 내의 각 전도성 채널(210a, 210b, 210c, 210d)의 상단부는 전도성 연결부(230a, 230b, 230c, 230d)에 의해 전기 부품(300)의 전극(310)에 접속된다.

도 11b는 도 11a의 'B-B'선에 따른 하부 쉘(222)의 단면도이다. 도 11c는 도 11a의 'C-C'선에 따른 가지 쉘(224)의 단면도이다. 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 복수개의 전도성 채널(210a, 210b, 210c, 210d) 간의 상부측 간격(D2)은 3차원 프랙탈 구조를 위해 하부측 간격(D1)보다 넓게 제공될 수 있다.

즉, 신축성 기판(100)과 접촉하는 복수개의 가지 쉘(224a, 224b, 224c, 224d) 간의 간격을 3차원 프랙탈 구조를 통하여 하부 쉘(222)의 좁은 간격으로 줄여주면서, 신축성 기판(100)과 접촉하는 신축 전도성 연결체(200)의 기둥 개수를 줄여줌으로서 신축성 기판(100)의 인장/압축 변형 시 복수개의 가지 쉘(224a, 224b, 224c, 224d)의 변형 증가율이 감소되고 전기 부품(300)에 작용하는 스트레스/변형이 감소하게 된다.

따라서, 도 11a 내지 도 11c에 도시된 실시예에 의하면, 복수개의 가지 쉘(224a, 224b, 224c, 224d)로 이루어지는 3차원 프랙탈 구조의 신축 전도성 연결체(200)에 의해, 전기 부품(300)에 전달되는 스트레스/변형이 더욱 감소될 수 있으며, 전기 부품(300)의 전극(310)들 간에 작용하는 스트레스/변형 또한 최소화될 수 있다.

일반적으로, 고성능 IC 칩의 경우 많은 수의 전극 배선이 마련되어 있으며, 신축성 기판(100)과 연결되는 전극 배선의 개수가 늘어남에 따라 전기 부품(300)의 전극(310)과 신축 전도성 연결체(200)에서 받는 스트레스와 변형이 가중되어, 전체 신축성 전자 장치(10) 내 채널의 저항 변화에도 큰 영향을 미치게 된다.

하지만, 도 11a의 실시예에 따라 신축성 기판(100)과 전기 부품(300) 사이에 3차원 프랙탈 구조의 전극 채널을 구성하면, 많은 수의 전극 배선을 가진 IC 칩인 경우에도 IC 칩에 가해지는 스트레스/변형을 최소화할 수 있으며, 스트레스/변형에 따른 신축성 전자 장치(10)의 전기적 특성 열화(degradation)를 방지할 수 있다.

즉, 신축성 기판(100)에 접촉되는 전극 배선의 면적은 줄이면서, 전기적 연결을 위해 필요한 배선 수를 유지할 수 있으며, 많은 수의 배선으로 구성되어 있는 IC 칩도 스트레스와 변형 없이 신축성 기판(100)에 결합 가능하다. 따라서, 웨어러블 기기에 적용되어 신축성 기판(100)에 큰 스트레스/변형이 발생하는 경우에도 많은 수의 전극 배선을 가진 고성능 IC 칩의 성능 저하 없이 충분한 성능을 발휘할 수 있다.

도 12는 도 11a의 'B-B'선에 따른 단면도로서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 전도성 채널들의 배열 구조를 보여주는 도면이다. 복수개의 전도성 채널(210a, 210b, 210c, 210d)은 도 11b에 도시된 바와 같이 하부 쉘(222) 내에 일렬로 배열되지 않고, 신축성 기판(100)에 접촉되는 전극 배선의 면적을 줄이기 위해 원기둥 형상의 하부 쉘(222)의 중심을 기준으로 일정한 각도를 이루도록 배열될 수도 있다.

도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축 전도성 연결체의 측면도이다. 도 11a에는 신축 전도성 연결체(200)가 2단 프랙탈 구조로 이루어져 있으나, 도 13a, 도 13b 및 도 13d에 도시된 바와 같이 3단 이상의 다단 프랙탈 구조로 제공될 수도 있으며, 도 13b, 도 13c 및 도 13d에 도시된 바와 같이, 가지 쉘(224)의 개수 또한 전기 부품의 전극 개수에 따라 6개, 8개, 10개, 16개 혹은 그 이상으로 다양하게 증가시키는 동시에, 구조 또한 2단 이상의 다단 프랙탈 구조로 변경될 수 있다.

도 14a는 도 3a의 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다. 도 14b는 도 13a의 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다.

신축 전도성 연결체(200)의 종횡비(Aspect Ratio)를 1부터 10까지(도 14b의 경우 2부터 10까지) 1 단위로 변화시키면서, 신축성 기판(100)의 인장 변형(S1)에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형(S2)의 변화를 측정하였다. 도 14a 및 도 14b의 실시예에서, 전도성 채널의 개수는 4개이다. 도 14b의 도시로부터 알 수 있듯이, 신축 전도성 연결체(200)가 3차원 프랙탈 구조로 이루어진 경우, 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형이 비약적으로 감소한다.

도 15a는 도 3a의 신축 전도성 연결체 구조를 가지면서 신축 전도성 연결체의 개수가 8개인 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다. 도 15b는 도 13d의 신축 전도성 연결체 구조를 가지면서 전도성 채널의 개수가 8개인 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다. 도 15b의 도시로부터, 3차원 프랙탈 구조의 신축 전도성 연결체(200)는 전도성 채널의 개수가 8개인 경우에도 인장 변형이 비약적으로 감소하는 것을 알 수 있다.

도 16은 도 13d의 신축 전도성 연결체 구조를 가지면서 전도성 채널의 개수가 16개인 신축성 전자 장치의 인장 변형 특성을 보여주는 그래프이다. 도 16의 도시로부터, 전도성 채널의 개수가 16개 정도 되어도 3차원 프랙탈 구조의 신축 전도성 연결체(200)로 신축성 기판(100)과 전기 부품(300)을 연결하면, 인장 변형이 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있다.

따라서, 복수개(다채널)의 신축 전도성 연결체(200)의 연결에서 3차원 프랙탈 구조를 가지면 신축성 기판(100)의 인장 변형(S1)에 따른 신축 전도성 연결체(200)의 인장 변형(S2)의 변화가 획기적으로 줄어는 것을 알 수 있고, 큰 스트레스/변형이 발생하는 경우에도 복수개(다채널)의 연결이 필요한 직접회로(IC) 전기 부품의 연결에 있어서 안정적인 전기적 연결을 유지할 수 있다.

도 17a 내지 도 17g는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다. 도 17h는 도 17a의 'C'부를 확대하여 보여주는 부분 절개 사시도이다.

도 17a 내지 도 17h에 도시된 실시예들은 신축 전도성 연결체(200)의 전도성 채널(210) 및 신축성 부재(220)가 스프링(spring, helical) 구조를 가지는 점에서 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다.

스프링 구조의 전도성 채널(210)의 상단부에는 전도성 연결부(230)가 구비될 수 있다. 전도성 연결부(230)는 전기 부품(300)의 전극(310)과의 전기적 접촉력이 높은 물질 및 구조로 제공될 수 있다. 전도성 연결부(230)는 실리콘 기반 에폭시(epoxy) 등의 신축성을 가지는 전도성 흡판(231), 흡착 컵(232), 흡착 공극(236) 구조 및 전도성 접착제(conductive adhesive) 물질, 또는 이들의 복합 물질 및 구조로 제공될 수 있다.

전도성 채널(210) 및 신축성 부재(220)를 스프링 구조로 설계하면, 신축 전도성 연결체(200)에 큰 인장 변형이 작용하더라도, 신축 전도성 연결체(200)가 끊어지는 것을 방지할 수 있으며, 전도성 채널(210)의 전체 길이 변화를 최소화하여 전기적 특성 변화를 줄일 수 있다.

도 18a 내지 도 18d는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축 전도성 연결체를 보여주는 도면이다. 도 18a 내지 도 18d에 도시된 실시예들은 신축 전도성 연결체(200)의 전도성 채널(210) 및 신축성 부재(220)가 스프링 구조를 가지는 동시에, 신축 전도성 연결체(200)가 3차원 프랙탈 구조로 이루어진다.

도 18a에 도시된 신축 전도성 연결체(200)는 하부 쉘(222) 부분은 스프링 구조를 가지고, 스프링 구조 상부는 복수개의 가지 쉘(224)로 분기되는 3차원 프랙탈 구조를 가지는 3차원 스프링/프랙탈 복합 구조로 제공된다.

도 18b에 도시된 신축 전도성 연결체(200)는 하부 쉘(222) 부분이 스프링 구조를 가지고, 스프링 구조 상부는 3차원 프랙탈 구조를 가지며, 가지 쉘(224) 부분도 스프링 구조를 가지는 3차원 스프링/프랙탈 복합 구조로 제공된다.

이러한 3차원 스프링/프랙탈 복합 구조는 도 18c 및 도 18d에 도시된 바와 같이, 복수개(다채널)의 신축 전도성 연결체(200)의 연결이 가능한 2단 이상의 다단의 프랙탈 구조에서도 적용이 가능하다.

도 18a 내지 도 18d에 도시된 바와 같은 3차원 스프링/프랙탈 복합 구조의 신축 전도성 연결체(200)를 구비한 신축성 전자 장치의 실시예에 의하면, 전기 부품의 전극 개수에 따라 6개, 8개, 10개, 16개 혹은 그 이상으로 다양하게 증가시키는 동시에, 구조 또한 스프링/다단 프랙탈 복합 구조로 변경될 수 있다. 앞서 설명한 스프링 구조 및 3차원 프랙탈 구조의 이점을 동시에 얻을 수 있다. 따라서, 많은 개수의 배선이 요구되는 전기 부품(300)을 신축 전도성 연결체(200) 상에 부착하더라도, 전기 부품(300)으로 전달되는 스트레스/변형을 최소화하고, 전기 부품(300)의 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한 신축성 전자 장치(10) 내 전도성 채널의 전기적 열화(degradation) 현상 없이 전기 부품(300)들을 연결할 수 있다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다. 도 19를 참조하면, 전도성 채널(210)은 금속 등의 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속(예: EGaIn), 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물로 이루어질 수 있다. 실시예에서, 전도성 액체 금속은 EGaIn(Eutectic Gallium-Indium) 물질을 포함할 수 있다.

도 19의 실시예에서, 신축 전도성 연결체(200)는 전도성 채널(210)과 전기 부품(300)의 전극(310) 간에 마련되는 전도성 연결부(230)를 포함할 수 있다.

전도성 연결부(230)의 하부 부분은 신축성 부재(220)의 중앙부 구멍에 삽입된다. 전도성 연결부(230)의 상부 부분은 흡착 컵(232)과의 접합력을 높이면서 전기 부품(300)의 전극(310)과의 전기적 연결성을 높이기 위해 하부 부분으로부터 반경 방향 외측으로 돌출되는 단턱(234)을 가질 수 있다. 도 19의 실시예에서, 전도성 연결부(230)의 상면 부분은 볼록한 곡면 형상으로 이루어져 있으나, 전기 부품(300)의 전극(310)과의 전기적 연결의 접합성을 높이기 위해 평면, 오목한 곡면, 타원, 사각형 등의 다양한 형상으로 변형될 수 있다.

도 19의 실시예에 의하면, 신축성 기판(100)의 전도성 채널(120), 전도성 채널(210)의 전도성 물질, 전도성 연결부(230), 전기 부품(300)의 전극(310) 순으로, 점진적으로 탄성 계수가 변화하는 형태(예를 들어, 액체 금속, 전도성 신축 폴리머, 탄성중합체 순서로 탄성계수 변화)로 이루어져, 신축성 전자 장치(10)의 다양한 인장 및 압축 변형/스트레스 하에서도 신축/유연한 신축성 기판(100)과 신축 전도성 연결체(200) 및 딱딱한 전기 부품(300)의 전기적 접합성을 극대화할 수 있다.

신축 전도성 연결체(200)의 전도성 채널(210) 물질인 전도성 액체 금속(예: EGaIn)은 전도성 연결부(230)와 접촉 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 또한, 전도성 연결부(230)는 전도성 액체 금속과의 접촉력(wettability)이 우수할 뿐 아니라, 전기 부품(300)의 딱딱한 전극(310)과도 높은 부착력을 갖는다. 이러한 전도성 연결부(230)와의 접촉력은 전도성 액체 금속에만 국한된 것이 아니라 전도성 채널(210)의 다양한 전도성 물질에 대해서도 높은 접촉력을 갖는다.

뿐만 아니라, 전도성 연결부(230)는 신축 전도성 연결체(200)에 스트레스/변형 발생 시에 탄성력에 의해 변형되어도 전기 부품(300)의 전극(310) 과 전도성 채널(210)의 다양한 전도성 물질(금속 등의 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속(예: EGaIn), 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물)과 접촉 상태를 양호하게 유지한다.

또한, 전도성 연결부(230) 및 전도성 채널(210) 물질은 에코플렉스(ecoflex) 물질(지방족/방향족 폴리에스테르 공중합체)과 혼합 시에 탄성력 변화(탄성 계수 감소로 낮은 스트레스에서도 잘 늘어남)로 신축 전도성 연결체(200)와 전기 부품(300)의 전극(310)과의 접합력을 더욱 증가할 수 있다. 전도성 연결부(230)에 에코플렉스 물질을 8중량% 이하로 함유시킬 경우, 전도성 또한 양호하게 유지할 수 있다.

전도성 연결부(230)에 의해 신축 전도성 연결체(200)가 전기 부품(300)에 부착할 때에, 전도성 연결부(230)는 전기 부품(300)의 전극(310)에 압착 및 전도성 접착되어 양호한 전기적 접속 상태를 확보할 수 있다.

도 20a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다. 도 20b는 도 20a의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축 전도성 연결체에 전기 부품이 부착된 상태를 나타낸 단면도이다.

도 20a 및 도 20b의 실시예는 신축 전도성 연결체(200)를 전기 부품(300)에 부착시키는 전도성 연결부(230)가 도 3a의 실시예에 해당하는 전도성 흡판(231)과, 도 4a의 실시예에 해당하는 흡착 컵(232)을 둘 다 포함하는 이중 흡착 구조를 갖는다.

도 20a 및 도 20b의 실시예에 의하면, 전도성 흡판(231)에 의해 전도성 채널(210)과 전기 부품(300)의 전극(310) 간에 양호한 전기적 접촉 상태를 유지할 수 있는 동시에, 흡착 컵(232)에 의해 신축 전도성 연결체(200)를 전기 부품(300)의 표면에 밀착시켜 신축 전도성 연결체(200)와 전기 부품(300)의 접합 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있다.

도 21a 및 도 21b는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 전도성 연결부(230)에 도 3c와는 다른 모양의 전도성 흡판(231)을 형성하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예의 경우, 전도성 연결부(230)를 전도성 액체 금속이 채워진 신축성 부재(220)의 상단부에 결합시킨 후, 150℃ 이상의 고온으로 가열된 나노/마이크로 크기의 가열 팁(20)을 전도성 연결부(230)의 상면에 접촉시켜 공극을 형성하면서 경화시킴으로써 전도성 연결부(230)에 전도성 흡착 공극과 같은 흡판 구조를 형성할 수 있다. 공극의 모양 및 크기는 가열 팁(20)의 모양 및 크기에 따라서 조절할 수 있다.

또한, 도 21b에 도시된 바와 같이, 전도성 연결부(230)에 도 21a에서 제작한 다른 모양의 전도성 흡판(231)과 흡착 컵(232)의 이중 구조로 신축 전도성 연결체(200)를 제작하여, 전기 부품(300)과의 접합력을 보다 향상시킬 수 있다.

도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다. 도 22의 실시예는 신축 전도성 연결체(200)를 전기 부품(300)에 부착시키는 전도성 연결부(230)의 상면에 나노/마이크로 크기의 미세 흡착 공극(236)이 함입 형성된 점에서, 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다.

전도성 연결부(230)의 상면에 나노 또는 마이크로 크기의 미세 흡착 공극(236)들을 형성하여 전기 부품(300)에 접합함으로써, 접합되는 전기 부품(300)의 전극(310) 표면 거칠기에 크게 영향을 받지 않으면서 높은 전기적 접합 특성을 얻을 수 있다.

도 23 내지 도 26은 도 22의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 전도성 연결부에 나노/마이크로 크기의 흡착 공극을 형성하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저 도 23 및 도 24를 참조하면, 유리 기판(30) 위에 열변형에 약한 물질인 나노 또는 마이크로 크기의 폴리스틸렌 비드(polystyrene beads)(40)를 스핀코팅 등의 방법으로 일정한 간격으로 뿌린 후 Vicat 연화 온도(84 ~ 105℃)로 가열하여 폴리스틸렌 비드(40)를 유리 기판(30) 상에 변형시킨다. 폴리스틸렌 비드(40)의 변형 형태는 가열 시간, 가열 온도 등에 따라 도 24의 (a), (b), (c) 등과 같이 조절될 수 있으며, 이에 따라 다양한 형태의 미세 흡착 공극(236)을 제조할 수 있다.

이후, 도 25에 도시된 바와 같이 유리 기판(30) 상에 변형된 폴리스틸렌 비드(40)를 덮도록 전도성 고분자 물질(50)을 형성한 후, 아세톤(acetone) 등에 의해 폴리스틸렌 비드(40)를 제거한다. 전도성 고분자 물질(50)은 전도성 연결부(230)나 전도성 채널(210) 물질과 동일한 물질 일 수 있다.

폴리스틸렌 비드(40)가 제거되면, 도 26에 도시된 바와 같이, 전도성 고분자 물질(50)에 문어 빨판 형태와 유사한 흡착 공극(vacancy, air pocket for suction)(60, 236)이 형성될 수 있다. 폴리스틸렌 비드(40)의 직경, Vicat 연화 온도, 도포량(도포 밀도), 가열 시간 등을 제어하면, 도 26의 (a), (b) 및 (c)와 같이, 전도성 고분자 물질(50)의 흡착 공극(60, 236)의 크기, 형상, 밀도 등을 다양하게 조절할 수 있다.

도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다. 도 28은 도 27의 실시예에 따른 신축성 전자 장치를 구성하는 신축 전도성 연결체에 전기 부품이 접합된 상태를 보여주는 도면이다.

도 27 및 도 28의 실시예는 전도성 연결부(230)가 신축성 부재(220)(또는 전도성 흡판)에 형성된 흡착 컵(232)과, 미세 흡착 공극(236)을 둘 다 포함하는 이중 흡착 구조를 가진다. 도 27 및 도 28의 실시예에 의하면, 흡착 컵(232)과 흡착 공극(236)의 이중 흡착 구조에 의해, 신축 전도성 연결체(200)와 전기 부품(300) 간의 접합력을 보다 향상시킬 수 있다.

도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신축성 전자 장치의 일부를 보여주는 단면도이다. 도 29의 실시예는 전도성 연결부(230)가 도 3a의 실시예에 포함된 전도성 흡판(231)의 흡착판(231b)과, 전도성 흡판(231)의 상면에 형성된 흡착 공극(236)을 둘 다 포함하는 이중 흡착 구조를 가진다. 도 29의 실시예에 의하면, 전도성 흡판(231)의 흡착 판(231b)과, 흡착 공극(236)의 이중 흡착 구조에 의해, 신축 전도성 연결체(200)와 표면 거칠기가 있는 전기 부품 간의 접합력을 보다 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 3D 입체 구조를 통하여 평면 상의 전기 부품(300), 예를 들어, IC 칩이 받는 다양한 방향의 인장/압축/휘어짐의 기계적 스트레스와 변형을 획기적으로 줄일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 웨어러블 전자기기 뿐 아니라, 이종 물질 간의 전도성 연결이 필요한 다양한 분야에 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 신축성 기판(100) 및/또는 신축 전도성 연결체(200)가 3D 프린터로 제작될 수 있으며, 3D 프린터에 의해 다양한 모양의 3D 입체 구조의 신축성 PCB를 용이하게 제작할 수 있으며, 3D 프린팅 소재의 선택/변화를 통하여 신축/유연성의 특성도 쉽게 변화시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 3D 입체 구조를 통하여 신축 전도성 연결체(200)의 변형 증가율이 감소/완화되고, 그에 따른 전기 부품(300)으로 전달되는 스트레스/변형이 최소화 된다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 스트레스/변형 최소화된 많은 수의 전기적 연결을 위해서, 스프링(spring) 구조 또는 3차원 프랙탈(fractal) 구조, 또는 3차원 스프링/프랙탈 복합 구조로 설계될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 신축 전도성 연결체(200)가 스프링 구조의 마이크로 전극 채널로 설계되는 경우, 변형이 용이할 뿐 아니라, 변형 시에도 최종 전극의 길이 변화는 거의 일어나지 않아 저항 변화도 최소화할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 3차원 프랙탈 구조에 의해 IC 칩의 멀티 레그(multi leg)에 다중 전기 연결이 가능한 구조로 제작될 수 있으며, 기계적 스트레스와 변형을 최소화하면서 다수의 전기 접합/연결을 필요로 하는 PCB 회로에 적용이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 3차원 스프링/프랙탈 복합 구조의 신축 전도성 연결체(200)에 의해, 앞서 설명한 스프링 구조 및 3차원 프랙탈 구조의 이점을 동시에 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 전도성의 딱딱한 물질(전기 부품의 전극)과 액체 물질(전도성 채널) 사이에 전도성 고분자를 삽입하여, 점진적 탄성 계수의 변화(예를 들어, 액체 금속, 전도성 신축 폴리머, 탄성중합체 순서로 탄성계수 변화)를 통해 스트레스와 변형을 최소화하면서 강성 물질과 연성 물질간의 접합력을 극대화 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 흡착 구조를 통하여 전기 부품(300)의 반복 탈부착이 가능하고 전기 부품(300)의 탈부착시 접착제가 필요 없어, 편리하게 IC 칩 등을 교환 및 업그레이드할 수 있다. 전기 부품의 탈부착이 필요 없는 경우에는 전도성 접착제를 이용하여 전기 부품의 전기적 연결 및 기계적 접합을 할 수 있다. 또한 이러한 흡착 구조 및 접착 물질을 복합적으로 사용하여 신축성 기판과 전자 부품의 접합력을 극대화 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 신축성 전자 장치는 신축 전도성 연결체(200) 및 신축성 기판(100)을 매개로, 다양한 3D 입체 구조 위에 다수의 배선이 있는 고성능 전기 부품들을 배치함으로써, 인장/압축 변형뿐만 아니라 다양한 외부 변형 하에서도 전도성 변화 없이 양호한 전기적 연결을 유지할 수 있으며, 고성능의 신축/유연한 웨어러블 전자기기로의 활용이 가능하다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 신축성 전자 장치
100: 신축성 기판
110: 표면
120: 전도성 채널
200: 신축 전도성 연결체
210: 전도성 채널
220: 신축성 부재
222: 하부 쉘
224: 가지 쉘
230: 전도성 연결부
231: 전도성 흡판
232: 흡착 컵
234: 단턱
236: 흡착 공극
300: 전기 부품
310: 전극

Claims

내부에 제1 전도성 채널을 가지고, 하나 이상의 전기 부품의 장착을 위한 표면을 가지는 신축성 기판; 및
상기 신축성 기판에 구비되고, 상기 표면으로부터 멀어지는 방향으로 3차원 입체 구조로 연장되고, 신축성을 가지는 신축 전도성 연결체를 포함하고,
상기 신축 전도성 연결체는,
상기 제1 전도성 채널에 전기적으로 연결되고, 신축성을 가지는 제2 전도성 채널; 및
상기 제2 전도성 채널이 상기 전기 부품의 전극에 전기적으로 연결되도록, 상기 신축 전도성 연결체의 상면을 상기 전기 부품에 부착시키기 위한 전도성 연결부; 를 포함하고,
상기 전도성 연결부는, 상기 신축 전도성 연결체의 상면을 상기 전기 부품의 전극에 전기적으로 연결되도록 흡착, 접착 또는 이들의 복합구조로 연결시키고,
상기 전도성 연결부는, 상기 전기 부품이 탈부착될 수 있게 제공되는 흡착 구조인 전도성 흡판 구조를 포함하고,
상기 전도성 흡판 구조는 전도성 흡판, 전도성 흡착 공극, 전도성 미세 흡착 공극 또는 이들의 복합 구조를 포함하는 신축성 전자 장치.
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제1항에 있어서,
상기 전도성 연결부는, 탈부착이 필요 없는 안정적인 전기적 연결을 위한 전도성 접착 물질을 포함하거나, 상기 전도성 접착 물질 및 전도성 흡판 구조의 복합 구조를 포함하는 신축성 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 신축 전도성 연결체는, 상기 제2 전도성 채널의 측면을 감싸는 신축성 부재에 의해 코어-쉘 구조로 제공되고,
상기 제2 전도성 채널은 상기 신축성 부재 내에 충진되는 신축 전도성 물질로 전도성 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속, 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물 중의 적어도 하나를 포함하는 신축성 전자 장치.
제4항에 있어서,
상기 액체 금속은 EGaIn(Eutectic Gallium-Indium) 물질을 포함하는 신축성 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 전도성 채널은, 상기 신축성 기판 내에 전자기기 회로 채널로 제공되고,
상기 제1 전도성 채널은, 상기 신축성 기판 내에 충진되는 신축 전도성 물질로 전도성 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속, 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물 중의 적어도 하나를 포함하는 신축성 전자 장치.
제4항에 있어서,
상기 신축 전도성 연결체는, 상기 제2 전도성 채널의 상부에 결합되는 상기 전도성 연결부와, 상기 신축성 부재의 상단부에 마련되는 흡착 컵 또는 흡착 캡 구조의 복합 구조를 포함하고,
상기 전도성 연결부는, 상기 신축 전도성 연결체의 상면을 상기 전기 부품에 연결시키는 전도성 흡판 구조 또는 전도성 접착 물질을 포함하거나, 전도성 흡판 구조 및 접착 물질 복합 구조를 포함하는 신축성 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 전도성 연결부는, 상기 전기 부품의 전극과 상기 제2 전도성 채널 사이에 다양한 구조 및 물질로 마련되고, 하부측은 상기 제2 전도성 채널과 접촉되고, 상부측은 상기 전극과 접촉되어, 상기 신축성 기판과 상기 전기 부품 간에 점진적으로 탄성 계수를 변화시켜 스트레스 및 변형을 최소화하는 신축성 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 신축 전도성 연결체는 상기 신축성 기판의 표면에서 멀어지는 방향으로 연장되어 3차원 구조를 가지는 신축성 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 신축성 기판은 상기 제1 전도성 채널을 가지는 신축성 인쇄 회로 기판이고, 상기 전기 부품은 집적회로 칩인 신축성 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 신축 전도성 연결체는 스프링 구조, 3차원 프랙탈(fractal) 구조, 3차원 스프링 및 프랙탈 복합 구조 중 적어도 하나의 구조를 포함하는 신축성 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 신축 전도성 연결체는, 상기 제2 전도성 채널을 복수개 포함하는 다채널 구조를 가지고,
상기 복수개의 제2 전도성 채널은 다채널을 가지는 상기 전기 부품의 복수개의 전극에 연결되고,
상기 신축 전도성 연결체는, 상기 복수개의 제2 전도성 채널 간의 상부측 간격이 하부측 간격보다 넓게 제공되는 3차원 프랙탈 구조를 가지는 신축성 전자 장치.
제12항에 있어서,
상기 신축 전도성 연결체는, 상기 제2 전도성 채널을 복수개 포함하고,
상기 복수개의 제2 전도성 채널은 상기 전기 부품의 복수개의 전극에 연결되고,
상기 복수개의 제2 전도성 채널 간의 상부측 간격은 하부측 간격보다 넓게 제공되고,
상기 신축 전도성 연결체는, 상기 다채널 구조로 제공되는 복수개의 제2 전도성 채널의 측면을 감싸는 신축성 부재를 더 포함하고,
상기 신축성 부재는,
상기 복수개의 제2 전도성 채널을 전체적으로 감싸는 하부 쉘; 및
상기 하부 쉘로부터 분지되고, 상기 복수개의 제2 전도성 채널을 각각 감싸도록 마련되는 복수개의 가지 쉘을 포함하는 3차원 프랙탈 구조를 가지는 신축성 전자 장치.
제1항, 제3항 내지 제13항 중 어느 한 항의 신축성 전자 장치를 구성하는 신축성 기판 및 신축 전도성 연결체를 제조하고 연결하는 단계; 및
하나 이상의 전기 부품을 상기 신축 전도성 연결체에 부착하는 단계; 를 포함하고,
상기 신축 전도성 연결체를 제조하고 연결하는 단계는,
스프링 구조, 3차원 프랙탈 구조, 3차원 스프링 및 프랙탈 복합 구조 중의 적어도 하나를 가지도록 상기 신축 전도성 연결체를 제조하는 단계를 포함하는 신축성 전자 장치의 제조 방법.
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제14항에 있어서,
상기 신축성 기판 및 신축 전도성 연결체를 제조하고 연결하는 단계는, 3D 프린터에 의해 상기 신축성 기판 및 상기 신축 전도성 연결체를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 신축성 기판을 제조하는 단계는,
상기 신축성 기판 내에 전도성 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속, 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물 중의 적어도 하나를 포함하는 신축 전도성 채널 물질을 주입하는 단계를 포함하는 신축성 전자 장치의 제조 방법.
제14항에 있어서,
상기 신축 전도성 연결체를 제조하는 단계는,
상기 신축성 기판의 표면에 결합된 신축성 부재 내에 전도성 나노와이어(nanowire), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 액체 금속, 전도성 신축 폴리머 또는 이들의 화합물 중의 적어도 하나를 포함하는 신축 전도성 채널 물질을 채우는 단계; 및
전도성 연결부를 제조하고, 상기 신축 전도성 연결체의 상부에 상기 전도성 연결부를 결합하는 단계를 포함하고,
상기 전도성 연결부는, 상기 신축 전도성 연결체의 상면을 상기 전기 부품에 연결시키는 전도성 흡판 구조 또는 전도성 접착 물질을 포함하거나, 전도성 흡판 구조 및 접착 물질 복합 구조를 포함하는 신축성 전자 장치의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 전도성 연결부를 제조하는 단계는, 전도성 흡착 공극을 제조하는 단계를 더 포함하고,
상기 전도성 흡착 공극을 제조하는 단계는 흡착에 필요한 공극 구조를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 전도성 흡착 공극을 제조하는 단계는,
유리 기판 위에 폴리스틸렌 비드를 도포하는 단계;
상기 유리 기판 상의 상기 폴리스틸렌 비드를 연화 온도로 가열하여 상기 폴리스틸렌 비드를 변형시키는 단계;
상기 유리 기판 상에, 상기 폴리스틸렌 비드를 덮도록 신축/유연 전도성 물질을 형성하는 단계; 및
상기 폴리스틸렌 비드를 제거하여 상기 신축/유연 전도성 물질에 상기 전도성 흡착 공극을 형성하는 단계를 포함하는 신축성 전자 장치의 제조 방법.